Теплозащитные материалы и покрытия на основе цирконатов РЗЭ и иттрия

• Автор: Мазилин, Иван Владимирович
• Шифр специальности: 05.17.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 127 с. : ил.

Оглавление

Список использованных сокращений

Введение

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1 Л. Современные теплозащитные покрытия

1ЛЛ Строение, функции и области применения

1Л .2 Способы нанесения и обработки

1Л .3 Процессы, протекающие в ходе эксплуатации

1.2. Направления развития теплозащитных покрытий

1.2Л Новые керамические материалы верхнего слоя ТЗП

1.2.2 Технологии нанесения керамики

1.2.3 Новые материалы и технологии нанесения подслоя
1.3. Требования к керамическим материалам теплозащитных покрытий
1.3.1 Общие требования
1.3.2 Теплофизические свойства
1.3.3 Механические свойства
1.4. Твердые растворы и стехиометрические фазы систем 2г02-Ьп20з
1.4.1 Анализ фазовых диаграмм
1.4.2 Твердые растворы систем Zr02-Ln20з для применения в качестве ТЗП
1.4.3 Стехиометрические фазы систем /гСЪЛдъОз для применения в качестве ТЗП
1.5. Технология газотермического напыления
1.5.1 Плазменное напыление
1.5.2 Высокоскоростное газопламенное напыление
1.5.3 Требования к исходным материалам и способы их синтеза
1.6. Выводы из литературного обзора
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Техника эксперимента и исходные материалы
2.1.1 Материалы образцов

2.1.2 Оборудование для нанесения покрытий
2.2. Методы исследования и аналитический контроль
2.3. Планирование эксперимента
3. Получение и исследование свойств покрытий на основе сплавов №-Со-Сг-А1-У
3.1. Исследование свойств исходных материалов
3.2. Выбор технологических параметров напыления
3.3. Состав и структура покрытий
4. Получение и исследование свойств покрытий на основе твёрдых растворов систем Zr02-ЬпгОз
4.1. Получение исходных материалов
4.2. Исследование свойств исходных материалов
4.3. Выбор технологических параметров напыления
4.4. Состав и структура покрытий
5. Получение и исследование свойств покрытий на основе стехиометрических фаз систем Zr02-ЬпгОз
5.1. Получение исходных материалов
5.2. Исследование свойств исходных материалов
5.3. Выбор технологических параметров напыления
5.4. Состав и структура покрытий
6. Исследование термических и теплофизических свойств покрытий
6.1. Определение типа защитной плёнки
6.2. Термическая стабильность покрытий
6.3. Исследование теплофизических свойств покрытий
Выводы
Источники информации
7. Приложение

Список использованных сокращений
Сокращение Обозначение
гтд Газотурбинный двигатель
кпд Коэффициент полезного действия
тзп Теплозащитное покрытие
M-Cr-Al-Y Жаростойкие сплавы на основе N1 или Со, содержащие Сг, А1, У
TGO Оксидная защитная плёнка на поверхности М-Сг-А1-У (оксиды роста)
ГТН Газотермическое напыление
APS, ПН Плазменное напыление на воздухе (при атмосферном давлении)
VPS (LPPS) Плазменное напыление в вакууме (при пониженном давлении)
EB-PVD Электронно-лучевое осаждение из газовой фазы
HVOF, ВСН Высокоскоростное напыление (кислород-топливной смесь)
HVAF Высокоскоростное напыление (воздушно-топливная смесь)

Теплофизические свойства этих материалов также соответствуют требованиям к материалам ТЗП нового поколения (Рисунок 1.29-Рисунок 1.32). Наличие вакансий и большой период ячейки является основной причиной низкой теплопроводности материалов со структурой пирохлора - у цирконатов редкоземельных металлов 1л^гг07 (Тп = Ьа. N6, 8т, Ой) она составляет 1,1-1,9 Вт/м-К в диапазоне температур 700-1200°С [128-135].
В структуре пирохлора А2В2О7 возможно легирование по позициям А3+ и В4+ для оптимизации термических и теплофизических свойств соединения (Таблица 1.3). В работе [136] проведен расчёт теплопроводности материалов общей формулой А2В2О7 (А=Та-1.и; В=Тц Мо, вп, Zr, РЬ), по его результатам была построена карта теплопроводности в зависимости от ионных радиусов А и В (Рисунок 1.33). Увеличение радиуса иона В приводит к снижению теплопроводности, а радиус иона А влияет на неё в меньшей степени. Впрочем, экспериментальные данные свидетельствуют о том, что легирование по позиции А также является эффективным способом снижения теплопроводности [140,142].
Рисунок 1.33. Расчётная карта теплопроводностей Рисунок 1.34. Зависимость ионного материалов А2В2О7 в зависимости от ионных радиуса и прочности связи Ьп-О от
радиусов А и В [136]. порядкового номера РЗЭ [49].
Коэффициент термического расширения (Ьп = Ка, N<1, Бт, Ой) растёт в ряду Ьа-
вй. но всё же ниже необходимого - 9,1-9,7-10'6 1/К (для La2Zr207 в диапазоне 20-1200°С), по
этой причине необходимо рассмотреть варианты легирования для увеличения КТР. В
соответствии с теорией термического расширения (раздел 1.3.2), КТР керамического материала
определяется энергией связи металл-кислород. С увеличением порядкового номера от Ьа до Ей
и от Ой до УЬ энергия связи снижается, затем происходит резкий рост при переходе к Ой и Ьи
соответственно (Рисунок 1.34). Таким образом, для увеличения коэффициента термического
расширения необходимо легирование Ln2Zr207 по позиции Ьп + самарием, европием, тулием
или иттербием. К сожалению, даже несмотря на то, что NЙ2Zr207 или Eu2Zr207 имеют больший
коэффициент термического расширения, чем La2Zr207, ресурс однослойных покрытий на их