Термобарьерные покрытия

Термобарьерные покрытия наносят на детали и узлы ГТД уже более 25 лет. В настоящее время ТБП используются практически на всех двигателях гражданской авиации и большинстве военной. Они позволяют улучшить качественные характеристики двигателей, уменьшить расход воздуха на охлаждение, достигнуть экономии топлива, на 100… 150°С увеличить температуру газового потока. Одновременно повышается ресурс и надежность деталей, работающих при высоких температурах, снижается выброс вредных веществ, что обусловлено более полным сгоранием горючего. ТБП позволяют одновременно защитить материал от окисления и воздействия высоких температур.

Наиболее часто в качестве материала термобарьерных покрытий используется окись циркония. Это обусловлено, в первую очередь, ее низкой теплопроводностью (~1…1,8 Вт/м°K) и тем, что она имеет близкий к никелевым сплавам коэффициент термического расширения.

Для первых ТБП, наносимых на внутреннюю поверхность камеры сгорания, использовались покрытия, в которых более прочная кубическая кристаллическая структура окиси циркония стабилизировалась добавками 22% MgO. Эти покрытия работали при температурах ~980°C. При более высоких температурах происходила дестабилизация структуры ZrO₂ и, как следствие, разрушение покрытия.

Вторым поколением ТБП стали разработанные в конце восьмидесятых покрытия из ZrO₂ частично стабилизированные 7% Y₂O₃, которые широко используются и в настоящее время. Рабочие температуры таких покрытий составляют ~1090°C. ТБП обычно состоят из двух слоев, выполняющих различные функции. Верхний керамический слой воспринимает тепловое и эрозионное воздействие газового потока и, обладая низкой теплопроводностью, снижает температуру защищаемой детали (лопатки, рубашки камеры сгорания и др.). Под керамическим слоем находится жаростойкий слой (алюмо-платиновый, NiCoCrA1Y и др.), защищающий базовый металл от окисления и способствующий повышению прочности сцепления керамического слоя с подложкой. Слой окиси циркония имеет толщину ~ 250 мкм, а слой жаростойкого покрытия NiCoCrAlY ~ 80…120 мкм.

Дополнительное снижение теплопроводности покрытий на основе ZrO₂ может быть достигнуто их многослойным нанесением. Каждый такой слой также имеет столбчатую структуру. Имеется насущная необходимость разработки покрытий для будущих двигателей. В настоящее время разрабатываются ТБП нового поколения, в том числе, на основе фосфата лантана и гексоалюмината лантана. Эти материалы могут быть эксплуатироваться при температурах 1100…1600°C.

Для нанесения ТБП используется три основных способа: Физического осаждения испаренного электронным лучом в вакууме материала (EB-PVD), химического осаждения паров материала (CVD) и газотермического напыления. Каждая из этих технологий имеет свои достоинства и недостатки. Преимуществом плазменного напыления является возможность нанесения покрытия на труднодоступных поверхностях (например, внутри камеры сгорания), простота регулирования состава покрытия, более низкая стоимость и высокая производительность. Для увеличения прочности сцепления покрытия с основой и повышения жаростойкости ТБП может наноситься в несколько слоев,

Многослойная структура ТБП полученного плазменным напылением

ТБП первого поколения наносились плазменным напылением, а для покрытий второго поколения для наиболее ответственных деталей используют испарение керамики электронным лучом. Такие покрытия обладают повышенным сопротивлением термической усталости, имеют низкую шероховатость и высокую эрозионную стойкость. Процесс EB-PVD позволяет избежать заращивания охлаждающих отверстий в процессе нанесения покрытия.

А Б

Структура ТБП нанесенного плазменным напылением (а) и из стабилизированного итрием оксида циркония нанесенного на алюмо-платиновое жаростойкое покрытие методом EB-PVD (б)