Отчет, в основной части, базируется на оценке и анализе современных термобарьерных покрытий, полученных при применении методов газотермического напыления, в частности метода плазменного напыления и метода HVOF.

Дана краткая оценка, рассмотрена структура и перспективы развития отечественного и зарубежного рынка авиационного двигателестроения для военной и гражданской авиации, а также газоперекачивающих агрегатов и энергетических установок на базе газотурбинных двигателей. Представлены основные производители. Отдельный раздел посвящен истории создания и развития термобарьерных покрытий. Рассмотрено строение современных термобарьерных покрытий и методы их нанесения: газотермическое напыление плазмой при атмосферном давлении, электроннолучевое физическое осаждение из паровой фазы (EB-PVD) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Особое внимание было уделено механизмам разрушения и срокам службы ТВС. Отдельные разделы посвящены материалам, применяемым в качестве поверхностного керамического покрытия, перспективным материалам, претендующим на роль керамического покрытия, которые еще находятся на стадии лабораторных исследований, материалам используемым при нанесении покрытия связи, общей архитектуре термобарьерных покрытий, многослойным покрытиям.

Основной раздел посвящен оценке существующего положения и перспективных направлений развития методов газотермического напыления. Рассмотрены различные исходные материалы применяемые при создании термобарьерных покрытий: микрокристаллические и нанокристаллические порошки, коллоидные и истинные растворы.

Содержание

1. Обзор рынка авиационных двигателей и термобарьерных покрытий
2. Термобарьерные покрытия. История создания.
3. Современные термобарьерные покрытия для газовых турбин
4. Керамические материалы для ТВС. Поиск новых решений.
5. Покрытие связи. Перспективы развития.
6. Архитектура ТВС. Перспективы развития.
7. Методы нанесения ТВС. Существующее положение и перспективные направления развития методов газотермического напыления.
   1. Нанесение газотермических покрытий получаемых получаемых из наноструктурированных керамических порошков.
      1. Применение плазменного напыления для нанесения покрытий из наноструктурированных агломерированных керамических порошков.
      2. Использование метода HVOF для нанесения покрытий из наносруктурированных агломерированных керамических порошков.
   2. Нанесение газотермических покрытий получаемых из суспензий на основе наноструктурированных керамических порошков.
      1. Использование плазменного напыления для нанесения покрытий из суспензий на основе наносруктурированных керамических порошков.
      2. Применение метода HVOF для нанесения покрытий из суспензий на основе наносруктурированных керамических порошков.
   3. Нанесение газотермических покрытий получаемых из растворов предшественников.
      1. Применение плазменного напыления для нанесения покрытий из растворов предшественников.
      2. Применение метода HVOF для нанесения покрытий из растворов предшественников.

Примеры страниц

Выбор материалов TBC ограничен следующими основными требованиями:

1. 1) высокая точка плавления,
2. 2) никакого фазового превращения в интервале между комнатной и рабочей температурой,
3. 3) низкая удельная теплопроводность,
4. 4) химическая стойкость,
5. 5) соответствие теплового расширения TBC и металлического основания,
6. 6) хорошая адгезия к металлическому основанию
7. 7) низкая скорость спекания пористой микроструктуры (1, 2)

Количество материалов, которые могут использоваться как TBC, очень ограничено. Пока только несколько материалов удовлетворяют этим требованиям. Существующая технология базируется по существу на одном материале теплового барьера, 7YSZ. Выбор этой композиции и ее предпочтительное использование — главный пример приоритета ресурса над рабочими характеристиками. Повышение содержания Y улучшит потенциал изолирования (3, 4), но 7YSZ показал максимальный циклический срок службы при испытаниях (5) и продолжает преобладать над новыми материалами, основываясь на подобных критериях и способности к нанесению при помощи APS и ЕВ-PVD. В то время как в основном подтверждено, что 7YSZ полностью использовал свой потенциал, поиск заменителей усилился, имея в виду, прежде всего, перспективу использования более высоких рабочих температур. 7-8YSZ — наиболее широко изученный и используемый материал TBC, потому что обеспечивает лучшие рабочие характеристики в высокотемпературных приложениях, типа дизельных двигателей и газовых турбин, (6, 7, 8, 9). Было доказано, что покрытие YSZ является более стойким против коррозии Na₂SO₄ и V₂O₅, чем покрытие ZrO₂, стабилизированное CaO или MgO (10). Также изучалось покрытие 18-20YSZ (11, 12). Главный недостаток YSZ — ограниченная рабочая температура (<1473K) при долговременном применении. При более высоких температурах, происходят фазовые превращения от t’ тетрагонального до (t+c) тетрагонального и кубического и затем до моноклинного (m), давая начало формированию трещин в покрытии (2, 13). Практический потолок рабочей температуры (1223K) в газовой турбине для покрытия ZrO₂, стабилизированного CaO, и MgO (14). С другой стороны, эти покрытия, обладая высокой концентрацией свободных ионов кислорода, которые при высокой температуре помогают транспорту кислорода и окислению связующего покрытия в системе связующее/керамическое покрытие, а именно, формированием термически выращенного оксида (TGO) на поверхности связующего покрытия. Это приводит к отслаиванию керамики, и такой способ отказа TBC является преобладающим, когда покрытия имеют толщину как в газовых турбинах. Эта проблема в большей степени была решена применением стойких к окислению связующих покрытий типа оксида алюминия и муллита (15), Была разработана модель жизненного цикла TBC , в котором отказ являлся результатом формирования TGO, (16) и на рис.1 показана зависимость жизненного цикла покрытия TBC и температуры металлического основания (17).

Применение плазменного напыления для нанесения покрытий из наноструктурированных агломерированных керамических порошков.

Термический процесс напыления связан с плавлением частиц. Без хотя бы частичного плавления частицы крайне сложно получить покрытие, наносимое газотермическим напылением, особенно с керамическими материалами. Некоторая степень плавления необходима для достижения достаточного уровня адгезии и когезии частицы. Это — проблема для термически напыляемых наноструктурированных порошков; если все частицы порошка будут полностью расплавлены в термической струе, то все наноструктурные отличительный признаки частиц порошка исчезнут, и поэтому покрытие, наносимое напылением, не будет показывать никакой наноструктурной характеристики, связанной с первоначальным исходным сырьем. Чтобы преодолеть эту проблему, необходимо тщательно управлять температурой частиц в струе, то есть, температура порошковых частиц должна поддерживаться незначительно выше, чем точка плавления материала. Частицы должны быть термически напылены способом, гарантирующим, что часть начальной наноструктуры исходного сырья останется в микроструктуре покрытия. Поэтому наноструктурированные порошки исходного сырья весьма чувствительны к параметрам напыления. Чтобы отработать параметры напыления для достижения оптимальных рабочих характеристик покрытия, может понадобиться много времени. Этот процесс оптимизации часто облегчается при помощи диагностических инструментальных средств, контролирующих характеристики частицы в полете.

Применение метода HVOF для нанесения покрытий из суспензий на основе наносруктурированных керамических порошков.

В этом подразделе сделана попытка собрать максимальное количество информации по экспериментам, связанным с нанесением покрытий из суспензии на основе наноструктурированных керамических порошков. Надо отметить, что ввиду очень малого объема доступной информации будут приведены данные, касающиеся не только материалов для ТВС, так как полезна любая информация об этой методике. Одним из основных центров исследований по данной проблеме является университет Штутгарта, Германия. В частности группа Rainer Gadow, Andreas Killinger из Institute for Manufacturing Technologies of Ceramic Components and Composites (IFKB)(Институт производственных технологий керамических компонентов и композитов). Пока большинство вариантов напыления суспензии имеет дело с методиками на основе плазменного напыления. Система HVOF использовалась для напыления наноструктурированных агломератов. Напыление суспензии при помощи системы HVOF — развивающийся метод, призванный расширить потенциал порошковых материалов с субмикронными и наночастицами. В случае плазменного напыления, инжекция жидкости всегда выполняется перпендикулярно к плазменному пламени. В случае обычного пламени и HVOF предпочтительна аксиальная инжекция в пламя или камеру сгорания, поскольку это решает проблему нарушения режима пламени, вызывающего нестабильность процесса напыления. Введение жидкости в процесс напыления поднимает некоторые основные проблемы. Любая жидкость, будучи водой или органическим растворителем, начинает быстро испаряться, когда вводится в пламя, вызывая два важных эффекта. 1) значительное охлаждение пламени и 2) из-за испарения расширяющийся пар вызывает сильное нарушение режима свободно расширяющегося горячего газового потока, особенно имеет место в плазменном напылении. Когда вводится в камеру сгорания, происходит значительное повышение давления в камере сгорания, как происходит в процессе HVSFS.