Разработка высокоресурсных плазменных теплозащитных покрытий на основе оксида циркония для камер сгорания ГТД

• Автор: Абосделл Алажале Мох. Мосбах
• Шифр специальности: 05.07.05, 05.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 151 с. : ил.

Введение

Глава 1. Состояние вопроса

1.1 .Основное назначение и структура ТЗП

1.2.Материал и свойства внешнего теплозащитгного слоя.

1.2.1 Фазовые превращения.

1.2.2. Спекание ТЗП при эксплуатации ГТД

1.2.3. Долговечность теплозащитного слоя

1.2.4. Новые системы ТЗП

1.3. Материал и характеристики подслоя для ТЗП

1.3.1. Анализ влияния различия между КТР подслоя и основы

1.3.2. Фазовые превращения в подслое

1.3.3. Шероховатость поверхности подслоя
1.4. Технология нанесения покрытий
1.4.1. Формирование ТЗП методом плазменного напыления
1.4.2. Микроструктура плазменных ТЗП
1.4.3. Значение микротрещин.
1.5. Основные механизмы разрушения ТЗП
1.6. Цель работы и задачи исследований
Глава 2. Материалы, технология изготовления образцов и методы исследования
2.1 .Материал основы
2.1.1. Химический состав
2.1.2. Механические свойства сплава ВХ4А.
2.1.3 Физические свойства сплава ВХ4А ЭП 8.
2.2 . Технология нанесения покрытий плазменная установка УПУ8М.
2.3.Методы исследования порошковых материалов и структуры покрытий. .
2.4. Прочностные и деформационные характеристики системы ТЗП
2.4.1. Методика проведения эксперимента.
2.5. Испытания покрытий в условиях термической усталости.
Глава 3. Исследование порошковых материалов, структу ры и свойств покрытий после напыления и термообработки
3.1.Исследование порошковых материалов.
3.1.1. Материал подслоя Порошок ПВ НХЮ6Ит
3.1.2. Материалы керамического слоя ТЗП
3.1.2.1. Порошок марки ЦИО7Ю
3.1.2.2 Порошок марки ЦрОИ7.
3.2. Характеристики теплозащитных покрытий после напыления.
3.2.1. Толщина покрытий.
3.2.2. Шероховатость покрытий
3.2.3. Микроструктура ТЗП
3.2.4. Микротвердость ТЗП
3.2.5. Прочностные и деформационные характеристики ТЗП.
3.2.6. Микроструктура и свойства ТЗП с оптимальной толщиной керамического слоя.
3.2.6.1. Шероховатость покрытий
3.2.6.2. Микроструктура ТЗП
3.2.6.3. Микрорентгеноспектральный анализ покрытия.
3.2.6.4. Пористость ТЗП
3.2.6.5. Микротвердость ТЗП
3.2.6.6. Модуль упругости подслоя и керамического слоя.
Выводы к главе 3.
Глава 4. Исследование деградации теплозащитных покрытий
при воздействии высоких температур.
4.1. Долговечность ТЗП.
4.2. Виды разрушения ТЗП.
4.3. Процессы спекания керамики.
4.3.1. Изменение микроструктуры керамики
4.3.2. Изменение микротвердости керамики
4.3.3. Изменение пористости керамики.
4.4. Теплопроводность керамического слоя.
4.5. Окисление металлического подслоя
4.5.1.Фазовый анализ подслоя.
Выводы к главе 4.
Глава 5. Расчетная оценка условий работы защитного экрана камеры сгорания с ТЗП
Выводы к главе 5.
Глава 6. Рекомендации по совершенствованию технологического
процесса нанесения ТЗП плазменным методом
Выводы исследований
Использованная литература
Приложения.
Список терминов и обозначений
ГТД газотурбинный двигатель
КТР коэффициент термического расширения
КПД коэффициент полезного двигателя
ТЗП теплозащитное покрытие
ХАЭ химически активные элементы
воздушноплазменное напыление
V электроннолучевое вакуумное напыление
плазменное напыление в жидкой фазе
термически выращенный оксид.
V плазменное напыление в вакууме
V высокоскоростное газопламенное напыление
V химическое напыление в вакууме
ПОК полное отслоение керамического слоя от подслоя по границе раздела керамикаподслой
ЧОК1частичное отслоение керамического слоя по границе раздела керамикаподслой
ЧОК2частичное отслоение керамического слоя по границе раздела подслой основа
ЧРК частичное расслоение керамики
ВВЕДЕНИЕ


Именно для таких камер конструкторами ставится задача нанесения толстых ТЗП с толщиной более 0 мкм. Таким образом, проблема совершенствования технологии нанесения ТЗП, обеспечивающей повышение толщины покрытия при сохранении долговечности является актуальной. Методику комплексного исследования новых порошков и системы основной металл композиционное теплозащитное покрытие. Установленные взаимосвязи характеристик новых порошковых материалов со свойствами покрытий и системы в целом. Закономерности деградации и разрушения ТЗП в условиях термоциклирования и изотермической выдержки, связанные с характеристиками порошков и покрытий. Виды механизмов разрушения изученных систем покрытий. Расчетные модели теплопроводности и напряженнодеформированного состояния покрытий в защитном экране камеры сгорания ГТД. Глава 1. Теплозащитные покрытия ТЗП в технике используются уже более лет, в настоящее время они есть практически на всех двигателях гражданской авиации и большей части военной. ТЗП позволяют улучшить качественные характеристики двигателей, уменьшить расход воздуха на охлаждение, сэкономить топливо, увеличить температуру газового потока на 0. К ,1,2,0,8. Одновременно повышается ресурс и надежность деталей, работающих при высоких температурах, снижается выброс вредных веществ, что обусловлено более полным сгоранием горючего. ТЗП должно быть одновременно жаростойким и теплозащитным термобарьерным, т. Ниже представлена схема ТЗП. Рис 1. Внешний вид камеры сгорания с ТЗП 1. Конструкция ТЗП, т. Ниже представлены схемы двух, трех и многослойных ТЗП рис. Основа Ц Основа
ггу2о3 ггоо. В ОсноваЙ ЙОснова
Рис 1. ТЗП системы гЮ2У3 МеСгА1У. Наиболее часто в качестве внешнего слоя ТЗП используется оксид циркония , который имеет низкую теплопроводность от 1, до 2, Втм К в интервале температур от 3 до К. Однако необходимость повышения эффективности работы высокотемпературных деталей ГТД связана с требованием повышения рабочих температур и увеличением срока службы ТЗП. При этом возможности существующих составов ТЗП ограниченны, главным образом изза наличия фазовых превращений в г и процессов спекания, происходящих в керамическом пористом слое ТЗП при температурах С. К в кубической форме от до К в тетрагональной при температуре ниже К в моноклинной. Фазовый переход из тетрагональной структуры в моноклинную происходит весьма быстро и сопровождается увеличением объема материала на 3 5, что влечет за собой интенсивное его растрескивание. Такое поведение послужило причиной того, что в чистом виде при высоких температурах не применяется . Существует ряд соединений, в частности оксидов, которые растворяясь в кристаллической решетке , стабилизирует ее. Такими оксидами в первом поколении ТЗП явились , , . Их применение сделало возможным использовать при температурах работы лопаток турбины ГТД. Механизм стабилизации сложней и недостаточно изучен, он зависит от вида и количества оксидов, размеров их частиц, температуры. Полная стабилизация приводит к образованию кубической кристаллической решетки, устойчивой к нагреву и охлаждению в широком диапазоне температур. Частично стабилизированный представляет собой смесь оксидов со стабильной кубической и метастабильной тетрагональной решетками. Малые добавки стабилизаторов к чистому могут даже привести к появлению тетрагональной фазы выше К, а при более низкой температуре к появлению смеси оксидов с кубической, моноклинной, а также тетрагональной решетками. В современных ГТД в основном используется , стабилизированный 6 8 м Уз . Кроме того, 8 имеет сравнительно близкий к никелевым сплавам коэффициент термического расширения КТР 9,0 . К. Используемые для турбинных лопаток никелевые сплавы имеют КТР от ,0 до ,0 6 К 2. Теплопроводность Вти. Рис. Взаимосвязь теплопроводности и коэффициента термического расширения некоторых материалов, используемых как ТЗП. В процессе напыления 8Упокрытия образуется тетрагональная фаза, которая не изменяется скольконибудь значительно при температурах ниже К при идеальных работающих условия, рис. Рис.