КАМЕРА СГОРАНИЯ Российский патент 2025 года по МПК C23C28/02 C23C4/73 C23C4/11 C23C4/134 

Изобретение относится к области энергетики, конкретнее к камерам сгорания газотурбинных установок.

Из уровня техники известна термомеханическая деталь с нанесенным на нее термическим барьером (RU 2526337 C2, МПК С23С 4/02, опубл. 20.08.2014 Бюл. №23). Деталь в известном изобретении содержит подслой и керамический слой, покрывающие металлическую подложку из жаропрочного сплава. Металлический подслой выполнен из материала типа MCrAlY, где М представляет собой металл, выбранный из никеля, кобальта, железа или смеси этих металлов, или на основе Pt. Керамический слой выполнен на основе стабилизированного диоксида циркония, а именно стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония, имеющего молярное содержание оксида иттрия в интервале между 4% и 12%.

Недостатками известного решения является необходимость сглаживания шероховатости поверхности подслоя посредством по меньшей мере одного физико-химического и/или механического процесса, что по мнению авторов позволяет «существенно увеличить срок службы без осыпания системы с термическим барьером». Однако снижение шероховатости подслоя существенно снижает прочность сцепления керамического слоя покрытия с подслоем, что снижает срок службы покрытия в целом.

Также из уровня техники известна деталь с покрытием для газотурбинного двигателя (RU 2762611 C2, МПК F01D 5/28, опубл. 21.12.2021 Бюл. №36). Известная деталь с покрытием для газотурбинного двигателя содержит подложку и по меньшей мере один защитный от алюмосиликатов кальция и магния слой на подложке.

Недостатком известного решения является необходимость применения порошков в виде суспензии для получения силикатной фазы. В данном решении защитный слой, состоит из нескольких фаз, которые могут содержать Gd₂Zr₂O₇. Нанесение композитов, содержащих разные фазы в одном слое, значительно усложняет прогнозирование срока службы теплозащитного покрытия из-за хаотичного распределения фаз внутри слоев покрытия. Особенно это проявляется, когда покрытия наносится из многокомпонентных порошковых суспензий.

Еще одно техническое решение описывает многослойную систему тепловой защиты с фазой пирохлора (RU 2388845 С2, МПК С23С 14/16, опубл. 10.05.2010, Бюл. №34). Многослойная теплоизолирующая система содержит основу из жаропрочных сплавов на основе железа, никеля или кобальта, металлический связующий слой, состоящий из сплава NiCoCrAlX, где X - иттрий и/или кремний, и/или по меньшей мере один редкоземельный элемент, или гафний, внутренний керамический слой из диоксида циркония, предпочтительно слой из стабилизированного диоксида циркония, нанесенный на металлический связующий слой, и наружный керамический слой, содержащий по меньшей мере 80 мас. %, в частности до 100 мас. % фазы пирохлора, состоящей либо из Gd₂Zr₂O₇, либо из Gd₂Hf₂O₇, нанесенный на внутренний керамический слой. Толщина внутреннего слоя составляет от 10% до 50% общей толщины внутреннего слоя и наружного слоя. Получают слоистую систему, которая имеет необходимые теплоизолирующие свойства, а также высокое значение прочности сцепления с основанием и длительный срок службы.

Недостатком известного технического решения является отсутствие контроля шероховатости и управления шероховатостью при помощи технологических режимов слоев покрытия по отдельности и полученного покрытия в целом. Адгезия керамического слоя ТЗП определяется шероховатостью поверхности подслоя покрытия и с уменьшением шероховатости ухудшается (сцепление слоев ТЗП носит механический характер). При этом высокие значения шероховатости поверхности приводят к снижению располагаемой мощности и эффективного КПД ГТУ. В связи с чем важно технологически обеспечивать необходимую шероховатость каждого из слоев и обеспечивать контроль данной характеристики в течение технологического процесса.

В качестве ближайшего аналога предлагается деталь с нанесенным на нее многослойным теплозащитным покрытием (RU 2532646 C1, МПК С23С 14/16, опубл. 10.11.2014 Бюл. №31). В известном техническом решении описана камера сгорания с нанесенным на ее внутреннюю поверхность многослойным покрытием, содержащим подслой из сплава системы NiCoCrAlY и керамический слой из материала на основе диоксида циркония,

Недостатком ближайшего аналога является то, что керамическое покрытие на основе ZrO₂-7Y₂O₃ при длительной эксплуатации при температурах более 1100°С подвергается фазовым превращениям, особенно при термоциклическом воздействии. Ресурс такого покрытия ограничен количеством термоциклов при температуре более 1200°С.

Желаемым техническим результатом является длительная эксплуатация, включающая термоциклические воздействия, теплозащитного покрытия для камеры сгорания с керамическим слоем, который при температурах 1100-1200°С не имеет фазовых превращений.

Желаемый технически результат достигается тем, что камера сгорания содержит верхний керамический слой, выполненный из Gd₂Zr₂O₇, толщиной 20-50 мкм с шероховатостью Ra 4-5 мкм, при этом упомянутый подслой выполнен толщиной 150-200 мкм с шероховатостью Ra 5-6 мкм, а промежуточный керамический слой на основе диоксида циркония выполнен из материала ZrO₂-Dy₂O₃, толщиной 200-250 мкм с шероховатостью Ra 5,5-7 мкм.

Благодаря тому, что подслой выполнен толщиной 150-200 мкм с шероховатостью Ra 5-6 мкм - достигаются условия медленного образования TGO слоя без высокого уровня остаточных напряжений, которые появляются при больших толщинах покрытий на криволинейных поверхностях, и высокая прочность сцепления керамического слоя с металлическим подслоем, которая делает возможным больший срок службы.

При помощи выполнения керамического слоя на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом диспрозия, т.е. фактически выполнен из материала ZrO₂-Dy₂O₃, толщиной 200-250 мкм с шероховатостью Ra 5,5-7 мкм достигается то, что покрытие имеет фазовую стабильность при термоциклическом нагреве до 1200°С и создает барьерный мостик образования нежелательных фаз между верхним слоем и подслоем и при этом обеспечивает достаточную прочность сцепления верхнего керамического слоя с промежуточным.

Благодаря тому, что камера сгорания снабжена верхним керамическим слоем, выполненным из Gd₂Zr₂O₇, толщиной 20-50 мкм с шероховатостью Ra 4-5 мкм достигается ресурс покрытия при длительной эксплуатации при температурах 1200-1500°С и не подвергается фазовым превращениям, а также повышается эффективность работы камеры сгорания за счет снижения шероховатости.

Пример 1. На поверхность жаровой трубы камеры сгорания газотурбинного двигателя нанесли теплозащитное покрытие, включающее три слоя: методом плазменного напыления на воздухе основной металлический подслой на никелевой основе (Ni-22Co-17Cr-13Al0, 4Y), толщиной 150-200 мкм. методом плазменного напыления на воздухе дополнительный керамический подслоем ZrO₂-Dy₂O₃, толщиной 200-250 мкм, и методом плазменного напыления на воздухе верхний керамический слой Gd2Zr2O7, толщиной 20-50 мкм.

По данным проведенных испытаний образцов, вырезанных из камеры сгорания, при термоциклировании в режиме 200-1200°С покрытие показало сравнимую стойкость с образцами, где керамический слой выполнен из ZrO₂-7Y₂O₃. Однако жаростойкость образцов с покрытием с керамическим подслоем ZrO₂-Dy₂O₃ и верхних керамическим слоем Gd₂Zr₂O₇ при температурах 1200-1500°С.

Пример 2. Камера сгорания была выращена методом прямого лазерного синтеза из материала ХН65 ВТ с перфорацией. На ее внутреннюю поверхность было нанесено многослойное покрытие, содержащее подслой из сплава системы NiCoCrAlY, толщиной 150-200 мкм, промежуточный керамический слой ZrO₂-Dy₂O₃, толщиной 200-250 мкм, и керамический слой Gd₂Zr₂O₇, толщиной 20-50 мкм.

По данным ускоренных испытаний камера сгорания подвергалась быстрому нагреву и длительной выдержке при температуре 1350°С. После 250 часов нагрева покрытие не имело дефектов.

Пример 3. Камера сгорания была выращена методом прямого лазерного синтеза из материала ХН65 ВТ с перфорацией и имела следы эксплуатации в виде нагара и частично отслоившегося покрытия из никелевого подслоя и керамического слоя ZrO₂-7%Y₂O₃. Взамен отслоившегося было нанесено покрытие, содержащее подслой из сплава системы NiCoCrAlY, толщиной 150-200 мкм, и промежуточный керамический слой ZrO₂-Dy₂O₃, толщиной 200-250 мкм. Керамический слой Gd₂Zr₂O₇, толщиной 20-50 мкм не наносился ввиду того, что камера сгорания работала при температурах до 1000°С. Ввиду того, что не наносился верхний слой покрытие обладало большей шероховатостью, что негативно сказалось на эффективности работы.

Изобретение относится камере сгорания с нанесенным на ее внутреннюю поверхность многослойным покрытием. Камера сгорания содержит подслой из сплава системы NiCoCrAlY толщиной 150-200 мкм, промежуточный керамический слой на основе диоксида циркония из ZrO₂-Dy₂O₃ толщиной 200-250 мкм и верхний керамический слой из Gd₂Zr₂O₇ толщиной 20-50 мкм. Шероховатость упомянутого подслоя составляет Ra 5-6 мкм. Шероховатость промежуточного керамического слоя ZrO₂-Dy₂O₃ - Ra 5,5-7 мкм. Шероховатость верхнего керамического слоя из Gd₂Zr₂O₇ - Ra 4-5 мкм. Обеспечивается длительная эксплуатация, включающая термоциклические воздействия, теплозащитного покрытия для камеры сгорания с керамическим слоем, который при температуре 1100-1200°С не имеет фазовых превращений. 3 пр.

Камера сгорания с нанесенным на ее внутреннюю поверхность многослойным покрытием, содержащая подслой из сплава системы NiCoCrAlY и керамический слой из материала на основе диоксида циркония, отличающаяся тем, что камера сгорания содержит верхний керамический слой, выполненный из Gd₂Zr₂O₇ толщиной 20-50 мкм с шероховатостью Ra 4-5 мкм, при этом упомянутый подслой выполнен толщиной 150-200 мкм с шероховатостью Ra 5-6 мкм, а керамический слой на основе диоксида циркония выполнен в виде промежуточного слоя из материала ZrO₂-Dy₂O₃ толщиной 200-250 мкм с шероховатостью Ra 5,5-7 мкм.