Влияние кривизны поверхности подложки на структуру и свойства термобарьерных, конденсационных покрытий
Представлены результаты исследований химического состава, структуры и некоторых свойств термобарьерных градиентных покрытий, получаемых путем электронно-лучевого испарения композиционного керамического слитка на основе диоксида циркония на поверхность жаропрочных сплавов по одностадийной технологии....
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Datum: | 2011 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2011
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96183 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Влияние кривизны поверхности подложки на структуру и свойства термобарьерных, конденсационных покрытий / К.Ю. Яковчук, Ю.Э. Рудой, Л.М. Нероденко, Е.В. Оноприенко, А.О. Ахтырский // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 1 (102). — С. 22-29. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860267334407553024 |
|---|---|
| author | Яковчук, К.Ю. Рудой, Ю.Э. Нероденко, Л.М. Оноприенко, Е.В. Ахтырский, А.О. |
| author_facet | Яковчук, К.Ю. Рудой, Ю.Э. Нероденко, Л.М. Оноприенко, Е.В. Ахтырский, А.О. |
| citation_txt | Влияние кривизны поверхности подложки на структуру и свойства термобарьерных, конденсационных покрытий / К.Ю. Яковчук, Ю.Э. Рудой, Л.М. Нероденко, Е.В. Оноприенко, А.О. Ахтырский // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 1 (102). — С. 22-29. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современная электрометаллургия |
| description | Представлены результаты исследований химического состава, структуры и некоторых свойств термобарьерных градиентных покрытий, получаемых путем электронно-лучевого испарения композиционного керамического слитка на основе диоксида циркония на поверхность жаропрочных сплавов по одностадийной технологии. Предложена методика осаждения термобарьерных покрытий на образцы в оснастке, моделирующей условия конденсации на участках пера лопатки газовой турбины с положительной и отрицательной кривизной поверхности (в области спинки и корыта). Установлено влияние температуры осаждения покрытий на их структуру и свойства (микротвердость, пористость и термоциклическую долговечность). Показан положительный эффект от применения обработки ионами аргона внешнего керамического слоя в процессе осаждения покрытия, а также градиентное введение в его состав оксида гадолиния для предотвращения появления микроструктурных дефектов в виде микротрещин и повышения термоциклической долговечности покрытий в области корыта.
Results of investigations of chemical composition, structure and some properties of thermal barrier gradient coatings produced by electron beam evaporation of composite ceramic ingot on the base of zirconium dioxide to the surface of heat-resistant alloys using a single-stage technology are presented. The method of deposition of thermal barrier coatings on samples in fixture, simulating the conditions of condensation on areas of gas turbine blade airfoil with positive and negative curvature of surface (in the area of convex and concave sides) was offered. The effect of temperature of coatings deposition on their structure and properties (microhardness, porosity and thermal cycling life) was established. A positive effect is shown by application of treatment of external ceramic layer by argon ions during the process of deposition, as well as by a gradient adding of gadolinium oxide into its composition to prevent the appearance of microstructural defects in the form of microcracks and to improve the thermocyclic life of coatings in the area of concave side.
|
| first_indexed | 2025-12-07T19:02:21Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 669.187.526.001.5
ВЛИЯНИЕ КРИВИЗНЫ ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖКИ
НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА
ТЕРМОБАРЬЕРНЫХ, КОНДЕНСАЦИОННЫХ
ПОКРЫТИЙ
К. Ю. Яковчук, Ю. Э. Рудой, Л. М. Нероденко,
Е. В. Оноприенко, А. О. Ахтырский
Представлены результаты исследований химического состава, структуры и некоторых свойств термобарьерных
градиентных покрытий, получаемых путем электронно-лучевого испарения композиционного керамического слитка
на основе диоксида циркония на поверхность жаропрочных сплавов по одностадийной технологии. Предложена
методика осаждения термобарьерных покрытий на образцы в оснастке, моделирующей условия конденсации на
участках пера лопатки газовой турбины с положительной и отрицательной кривизной поверхности (в области спинки
и корыта). Установлено влияние температуры осаждения покрытий на их структуру и свойства (микротвердость,
пористость и термоциклическую долговечность). Показан положительный эффект от применения обработки ионами
аргона внешнего керамического слоя в процессе осаждения покрытия, а также градиентное введение в его состав
оксида гадолиния для предотвращения появления микроструктурных дефектов в виде микротрещин и повышения
термоциклической долговечности покрытий в области корыта.
Results of investigations of chemical composition, structure and some properties of thermal barrier gradient coatings
produced by electron beam evaporation of composite ceramic ingot on the base of zirconium dioxide to the surface of
heat-resistant alloys using a single-stage technology are presented. The method of deposition of thermal barrier coatings
on samples in fixture, simulating the conditions of condensation on areas of gas turbine blade airfoil with positive and
negative curvature of surface (in the area of convex and concave sides) was offered. The effect of temperature of coatings
deposition on their structure and properties (microhardness, porosity and thermal cycling life) was established. A positive
effect is shown by application of treatment of external ceramic layer by argon ions during the process of deposition, as
well as by a gradient adding of gadolinium oxide into its composition to prevent the appearance of microstructural
defects in the form of microcracks and to improve the thermocyclic life of coatings in the area of concave side.
Ключ е вы е с л о в а : электронно-лучевое осаждение;
градиентные термобарьерные покрытия; лопатки газовых
турбин; микроструктура покрытий; внешний керамический
слой; частично стабилизированный диоксид циркония; тер-
моциклическая долговечность
Термобарьерные покрытия применяются для уве-
личения срока эксплуатации рабочих и сопловых
лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) за счет
обеспечения защиты подложки (металл лопатки –
жаропрочный сплав на никелевой или кобальтовой
основе) от термического, окислительного и корро-
зионного воздействия продуктов сгорания топлива
[1—3]. Кроме продления срока эксплуатации, сни-
жения частоты обслуживания и эксплуатационных
расходов, термобарьерные покрытия повышают эф-
фективность работы ГТД благодаря возможности
увеличения температуры газа на входе в горячий
тракт турбины.
Термобарьерные покрытия представляют собой
многослойную конструкцию с внутренним металли-
ческим жаростойким слоем на основе сплавов
MCrAlY (M—Ni, Co) или интерметаллидов NiAl,
CoAl, PtAl и внешним низкотеплопроводным кера-
мическим слоем, как правило, на основе частично ста-
билизированного диоксида циркония ZrO2—8%Y2O3
(YSZ), а также прослойкой оксида алюминия, свя-
зывающей внешний и внутренний слои.
В настоящее время наибольшей долговечностью
отличаются термобарьерные покрытия, внешний
керамический слой которых сформирован способом
электронно-лучевого испарения и конденсации в
вакууме [1—6]. Характерная для конденсационного
покрытия ориентированная перпендикулярно под-
ложке столбчатая структура слоя диоксида цирко-
ния обеспечивает повышенное сопротивление тер-
мическому удару и способность к релаксации на-
пряжений, возникающих при теплосменах.
В работах [7—9] представлена одностадийная
электронно-лучевая технология осаждения гради-
ентных термобарьерных покрытий, в которой свя-
© К. Ю. ЯКОВЧУК, Ю. Э. РУДОЙ, Л. М. НЕРОДЕНКО, Е. В. ОНОПРИЕНКО, А. О. АХТЫРСКИЙ, 2011
22
зующий металлический слой, переходные зоны и
внешний керамический слой осаждаются путем ис-
парения композиционного керамического слитка из
одного источника карусельного испарителя за один
вакуумный технологический цикл. Это позволяет
улучшить служебные характеристики термобарьер-
ного покрытия, в первую очередь его термоцикли-
ческую долговечность, а также значительно упрос-
тить процесс осаждения и снизить время/расходы,
требующиеся для осаждения покрытия.
Структура внешнего керамического слоя, фор-
мируемого при конденсации из паровой фазы, во
многом определяется такими технологическими па-
раметрами, как температура подложки в процессе
осаждения, угол падения парового потока, давление
в рабочей камере, скорость осаждения покрытия
[10—13].
С увеличением угла падения парового потока на
поверхность конденсации микротвердость и склон-
ность к хрупкому разрушению керамического пок-
рытия снижаются, а пористость увеличивается.
Важным параметром является кривизна повер-
хности, на которую осаждается покрытие [14]. Про-
филь пера лопатки имеет сложную форму и харак-
теризуется наличием как выпуклых (спинка, вход-
ная и выходная кромки), так и вогнутых (корыто)
участков. При этом у осажденного за один цикл
керамического слоя структура и свойства на отдель-
ных участках профиля различаются [15].
Цель настоящей работы заключалась в исследо-
вании структуры и некоторых свойств градиентного
термобарьерного покрытия в зависимости от про-
филя поверхности подложки и технологических па-
раметров процесса осаждения. Авторами предпри-
нята попытка разработать модельную методику
осаждения внешнего керамического слоя, которая
отражала бы условия формирования покрытия на
различных участках лопатки (прежде всего на спин-
ке и в корыте), и соотнести микротвердость, порис-
тость и термоциклическую долговечность такого
покрытия с его микроструктурой.
Материалы и методика эксперимента. Градиентное
термобарьерное покрытие наносили путем элект-
ронно-лучевого испарения композиционного кера-
мического слитка и последующей конденсации па-
ровой фазы на поверхность образцов за один ваку-
умный цикл осаждения по технологии, изложенной
в работе [9]. Покрытие представляет собой трех-
слойную конструкцию, которая состоит из внутрен-
него связующего слоя на основе сплава Ni—18 % Co—
18 % Cr—11 % Al—0,2 % Y*, переходной зоны на
основе алюминида никеля NiAl с градиентным из-
менением содержания хрома и внешнего слоя на
основе частично стабилизированного диоксида цир-
кония ZrO2—8 % Y2O3 (рис. 1).
Внутренний связующий слой осаждали с
помощью испарения слитка сплава NiCoCrAlY. Пе-
реходную зону на основе алюминида никеля с до-
бавками хрома и внешний керамический слой фор-
мировали путем последовательного испарения таб-
летки AlCr, расположенной в верхней части компо-
зиционного керамического слитка ZrO2—8 % Y2O3,
а затем полного испарения этого слитка [9].
Для модифицирования структуры внешнего ке-
рамического слоя в некоторых экспериментах при-
меняли обработку ионами аргона поверхности кон-
денсации в процессе осаждения.
В одном из экспериментов на образцы также
осаждали термобарьерное покрытие, дополнитель-
но содержащее около 25 % оксида гадолиния
(Gd2O3), градиентно введенного во внешний кера-
мический слой. Для этого в нижнюю часть компо-
зиционного керамического слитка запрессовывали
таблетку Gd2O3 [16].
Следует отметить, что технологические парамет-
ры во всех экспериментах по нанесению градиент-
ных покрытий были неизменными, за исключением
температуры осаждения Tк слоя ZrO2—8 % Y2O3,
составляющей 600, 850 и 1000 °С при скорости осаж-
дения 5…6 мкм/мин. Перед осаждением покрытия
рабочую поверхность образцов шлифовали абра-
зивными бумагами до класса чистоты обработки,
соответствующему Ra = 0,1…0,5 мкм.
С целью моделирования условий конденсации
покрытия в разных частях лопатки в качестве ос-
новного элемента оснастки использовали вогнутую
подложку толщиной 5 мм из стали Х18Н10Т в виде
сектора радиусом 18 мм (установленную на враща-
ющемся валу над испаряемым слитком в электрон-
но-лучевой установке), на которой с выпуклой и
вогнутой сторон крепили плоские образцы диамет-
ром 14 и толщиной 4 мм из жаропрочного сплава
ЖС-32ВИ (рис. 2).
На образце, закрепленном с выпуклой стороны
подложки, формировалась структура покрытия,
*Здесь и дальше по тексту содержание элементов приведено в массовых долях процента.
Рис. 1. Микроструктура градиентного термобарьерного покры-
тия, полученного способом электронно-лучевого испарения и
конденсации в вакууме (область спинки, Tк = 850 °С): 1 –
керамический слой ZrO2—8 % Y2O3; 2 – TGO; 3 – переходная
зона NiAl—Cr; 4 – СДП-1; 5 – жаропрочный сплав ЖС-32ВИ
23
сходная с таковой спинки, а на вогнутой – корыта.
Такое расположение подложек позволяло в услови-
ях одного эксперимента получить данные о струк-
туре внешнего керамического слоя на модельных
плоских образцах в различных условиях формиро-
вания парового потока и произвести затем их тер-
моциклические сравнительные испытания. Темпе-
ратуру образцов в процессе осаждения покрытий
контролировали с помощью хромель-алюмелевой
термопары, установленной внутри подложки.
После осаждения градиентного термобарьерного
покрытия образцы отжигали в вакууме при темпе-
ратуре 1100 °С в течение 1 ч для формирования
тонкой пленки на основе Al2O3 на границе металл—
керамика (так называемого TGO – термически вы-
ращенного оксида), обеспечивающей адгезионную
связь металлического связующего и керамического
слоев на основе диоксида циркония.
Термостабильность покрытий определяли при
изотермическом окислении образцов на воздухе при
1200 °С в течение 10 ч, а термостойкость покрытий
исследовали путем печных термоциклических ис-
пытаний на воздухе по режиму (50↔1150) °С с вы-
держкой при максимальной температуре в течение
45 мин и суммарной длительностью одного цикла
60 мин. Общее количество циклов в сутки составляло
20. Моментом полного разрушения термобарьерно-
го покрытия считали скол керамического слоя с
25 % поверхности образца.
Структуру термобарьерного покрытия изучали
с использованием растрового электронного микрос-
копа CamScan 4D. Состав осажденных слоев опре-
деляли с помощью EDX приставки INCA-200 к рас-
тровому электронному микроскопу. Микротвер-
дость внешнего керамического слоя измеряли на
приставке Micro-Durоmat 4000E стандартным ал-
мазным индентором Виккерса при нагрузке 0,49 Н
(50 г) с фиксированными скоростью нагружения и
временем выдержки при нагрузке. Уровень общей
пористости внешнего керамического слоя определя-
ли численным методом анализа микроструктуры по-
перечного сечения конденсата. Вычисления произ-
водили с помощью компьютерной программы Image
Pro Plus на основе идентификации контраста иссле-
дуемой структуры.
Результаты экспериментов. Одной из особенностей
формирования градиентного термобарьерного пок-
рытия при осаждении, в соответствии с приведен-
ной на рис. 2 схемой, является его разнотолщин-
ность на образцах, расположенных в различных зо-
нах, моделирующих профиль пера лопатки, –
спинки и корыта (табл. 1). Толщина всех слоев
покрытия существенно меньше на образцах, нахо-
дящихся в зоне корыта, чем в зоне спинки лопатки,
что связано с эффектом экранирования образцов,
т. е. меньшим временем нахождения непосредствен-
но в зоне парового потока.
На рис. 3 приведено распределение основных
легирующих элементов по толщине градиентного
термобарьерного покрытия в состоянии после кон-
денсации и последующего вакуумного отжига (об-
разцы располагали в зоне, моделирующей спинку).
Данное распределение является характерным для
всех экспериментов, поскольку связующий метал-
лический слой формировали при постоянном зна-
чении температуры 850 °С. Здесь также приведено
распределение содержания оксида гадолиния, гра-
Рис. 2. Схема расположения образцов в оснастке над испаряе-
мым слитком (а) и геометрические размеры оснастки с образца-
ми (б): 1 – испаряемый слиток; 2 – паровой поток осаждаемого
покрытия; 3 – оснастка; 4 – образцы в зоне, моделирующей
корыто пера лопатки; 5 – образцы, расположенные в зоне,
моделирующей спинку пера лопатки
24
диентно введенного во внешний слой керамического
покрытия.
Температура конденсации внешнего керамичес-
кого слоя ZrO2—8 % Y2O3 оказывает влияние в пер-
вую очередь на поведение никеля на межфазной
границе связующий слой—керамика (распределение
основных легирующих элементов покрытия приве-
дено на рис. 4 для значений температуры конден-
сации внешнего керамического слоя, равных 600,
850 и 1000 °С).
Установлено, что повышение температуры осаж-
дения слоя ZrO2—8 % Y2O3 способствует увеличе-
нию содержания никеля и формированию на меж-
фазной границе пика (при Tк = 1000 °С). Располо-
жение пика никеля совпадает с концентрационным
пиком алюминия, который в свою очередь свиде-
тельствует об образовании пленки Al2O3.
Следует заметить, что на кривых распределения
элементов в рассмотренной зоне в корыте пик ни-
келя появляется и при Tк = 850 °С. Наличие подоб-
ного пика никеля может быть связано с образова-
нием при отжиге оксида никеля или шпинели в сис-
теме Ni—Al—O, а не α-Al2O3.
На рис. 5 представлена структура поперечного се-
чения внешнего керамического слоя ZrO2-8 % Y2O3,
осажденного при значениях температуры 600, 850
и 1000 °С. Столбчатая структура кристаллитов, на-
правленных перпендикулярно поверхности конден-
сации, зафиксирована в покрытиях всех вариантов
в зоне как спинки, так и корыта.
Ширина единичного кристаллита увеличивается
с ростом температуры конденсации и составляет в
области корыта около 1…2 мкм в температурном ин-
тервале 600…1000 °С, а в области спинка – 2 мкм
при 600 и примерно 5…6 мкм при 850 и 1000 °С.
Ширина межкристаллитных пор во внешнем кера-
мическом слое ZrO2—8 % Y2O3, осажденном на об-
разцы, моделирующие выпуклую поверхность
(спинка), также увеличивается от 1 до 3…4 мкм
при возрастании температуры конденсации от 600
до 1000 °С.
Т а б л и ц а 1 . Толщина металлических связующего и внеш-
него керамического слоев на участках профиля лопатки, мкм
Температура подлож-
ки в процессе осаж-
дения слоя
ZrO2(Y2O3), °С
Тип слоя Спинка Корыто
600
Связующий
(NiCoCrAlY/NiAl)
94 68
Внешний керамичес-
кий (ZrO2(Y2O3))
172 118
800
Связующий
(NiCoCrAlY/NiAl)
82 58
Внешний керамичес-
кий (ZrO2(Y2O3))
154 108
1000
Связующий
(NiCoCrAlY/NiAl)
81 57
Внешний керамичес-
кий (ZrO2(Y2O3))
158 106
Рис. 3. Распределение легирующих элементов в сечении термо-
барьерного покрытия (спинка, температура осаждения 850 °С,
состояние после вакуумной термической обработки при 1100 °С,
1 ч): 1 – Cr; 2 – Al; 3 – Ni; 4 – Zr; 5 – Gd
Рис. 4. Характерное распределение легирующих элементов на
межфазной границе связующий слой (NiAl)Cr—керамика
ZrO2—8 % Y2O3 при различных значениях температуры осажде-
ния керамического слоя (после вакуумного отжига 1100 °С, 1ч), °С:
1 – Ni, 1000; 2 – Ni, 600; 3 – Ni, 850; 4 – Zr; 5 – Cr; 6 –
Al; 7 – О
25
Отмечено, что в корыте ширина межкристаллитной
пористости практически не зависит от Tк и не превы-
шает 0,5 мкм. Характерной особенностью кристаллитов
ZrO2—8 % Y2O3, осажденных при Tк = 600 °С, является
развитая внутрикристаллитная пористость, которая
вырождается с повышением температуры конден-
сации в единичные поры, направленные вдоль оси
конденсации.
На рис. 6 представлена структура поперечного
сечения керамического слоя, осажденного при тем-
пературе 850 °С и модифицированного путем леги-
рования внешних слоев оксидом гадолиния, а также
обработки потоком ионов аргона в процессе осажде-
ния. Характер структуры в обоих вариантах сходен со
структурой немодифицированного покрытия, осажден-
ного при Tк= 850 °С. Однако следует заметить, что
ширина единичного кристалли-
та ZrO2—8 % Y2O3, обработан-
ного ионами аргона в процес-
се формирования покрытия,
уменьшается до 3…4 мкм в
области спинки, а при вве-
дении Gd2O3 увеличивается
до 10 мкм, по сравнению с
5…6 мкм в варианте без мо-
дифицирования. В области
корыта существенных разли-
чий в структуре керамическо-
го слоя не обнаружено.
Важным параметром, харак-
теризующим состояние внеш-
него керамического слоя в зо-
нах спинки и корыта лопатки,
является микротвердость. На
рис. 7 представлена зависи-
мость микротвердости от тем-
пературы осаждения слоя
ZrO2—8 % Y2O3. Видно, что
значения микротвердости су-
щественно различаются для
зон спинки и корыта – в
2,0…2,2 раза.
Такое соотношение сохра-
няется как в состоянии после
Рис. 5. Структура поперечного сечения керамического слоя ZrO2(Y2O3) в спинке (а—в) и корыте (г—е) в состоянии после осаждения;
температура конденсации Tк = 600 (а, г), 850 (б, д) и 1000 (в, е), °С; 2500
Рис. 6. Структура поперечного сечения модифицированного керамического слоя в спинке
(а, б) и корыте (в, г) в состоянии после осаждения; а, в – модифицирование путем введения
во внешнюю часть ZrO2(Y2O3) оксида гадолиния; б, г – обработка ионами аргона в процессе
формирования покрытия; Tк = 850 °С; 1000
26
осаждения, так и после термической обработке в
вакууме и на воздухе. Существенное отличие в зна-
чениях микротвердости свидетельствует о различ-
ной плотности керамики в разных участках профи-
ля лопатки и подтверждается данными металло-г-
рафических исследований.
Наименьшее значение микротвердости в исход-
ном состоянии показал керамический слой, сфор-
мированный на участках с разной кривизной повер-
хности при Tк = 600 °С. Однако при отжиге в ваку-
уме при температуре 1100 °С и изотермической вы-
держке на воздухе в течение 10 ч при температуре
1200 °С происходит интенсивный процесс спекания,
сопровождаемый фрагментацией структуры и рос-
том уровня микротвердости.
Микротвердость керамики, сформированной в
зоне спинки при Tк = 600 °С, после вакуумного и
окислительного процессов отжига достигает значе-
ний твердости керамики, осажденной при 850 °С
после таких же термических обработок. С повыше-
нием температуры конденсации до Tк = 1000 °С,
помимо спекания и фрагментации структуры, за-
фиксирована интенсивная диффузия элементов из
металлического связующего слоя в керамический
(рис. 4).
Кроме того, во внешнем керамическом слое,
осажденном и на образцах, и на реальных лопатках
при высокой температуре, в области корыта встре-
чаются характерные дефекты, представляющие со-
бой компрессионные микротрещины, распространя-
ющиеся как перпендикулярно, так и параллельно
подложке, но не выходящие на поверхность кера-
мического слоя (рис. 8). По-видимому, появление
подобных дефектов обусловлено действием высо-
ких значений остаточных сжимающих напряжений,
возникающих в керамическом слое, пористость ко-
торого недостаточна для релаксации их действия.
Уровень микротвердости внешнего керамического
слоя в зоне появления подобных дефектов состав-
ляет не менее 9…10 ГПа.
Как правило, такие трещины возникают в тех
областях лопаток (или образцов), на которых угол
падения парового потока осаждающейся керамики
близок к нормали, т. е. формируется плотная струк-
тура кристаллитов диоксида циркония с минималь-
ным количеством пор при относительно небольшой
скорости конденсации керамического слоя, что так-
же способствует формированию плотного керами-
ческого слоя. Очевидно, что наиболее вероятным
участком появления таких дефектов является об-
ласть корыта пера лопатки.
Введение с состав внешнего керамического слоя
оксида гадолиния и обработку керамики в процессе
ее напыления ионами аргона осуществляли с целью
увеличения пористости керамического слоя и
уменьшения склонности к появлению растрескива-
ния и спекания в процессе дальнейшей термообра-
ботки и эксплуатации.
На рис. 9 приведены значения микротвердости
керамического слоя, осажденного при Tк = 850 °С
в различных состояниях (после напыления, ваку-
умной термообработки и окислительного отжига
при 1200 °С на воздухе в течение 10 ч). Видно, что
и обработка ионами аргона, и введение Gd2O3 в
состав керамики способствуют снижению значений
Рис. 7. Влияние температуры осаждения на микротвердость слоя
ZrO2(Y2O3) в исходном состоянии и после термических обрабо-
ток: а – спинка; б – корыто; 1 – исходное состояние; 2 –
отжиг 1100 °С, 1 ч, вакуум; 3 – отжиг 1200 °С, 10 ч, воздух
Рис. 8. Примеры дефектов типа компрессионных трещин, обра-
зующихся в плотном керамическом слое с микротвердостью
9… 10 ГПа: а – 250; б – 400
27
микротвердости в состоянии после конденсации, от-
жига в вакууме при 1100 °С и окислительного от-
жига при 1200 °С, по сравнению с вариантом без
модифицирования.
Разуплотнение керамического слоя путем ука-
занного воздействия отражают результаты опреде-
ления пористости, приведенные в табл. 2. Значения
пористости в зоне корыта существенно ниже, чем в
зоне спинки; увеличение пористости обнаружено в слу-
чае ионной обработки формирующегося покрытия.
Результаты определения долговечности при тер-
моциклировании представлены на рис. 10. Введе-
ние Gd2O3 во внешнюю часть керамического слоя
способствует увеличению долговечности покрытия
на спинке лопатки, но не влияет практически на
долговечность покрытия в корыте. По-видимому,
повышение термостойкости образцов, расположен-
ных в зоне спинки лопатки, связано с изменением
структуры и теплопроводности керамического слоя.
Модифицирование химического состава керами-
ки путем введения в состав диоксида циркония дру-
гих соединений, в частности Gd2O3, приводит к сни-
жению коэффициента теплопроводности. Кроме то-
го, одним из важных параметров, влияющих на тер-
моциклическую долговечность, помимо пористости
покрытия, является толщина связующего металли-
ческого и внешнего керамического слоев, воздей-
ствующих на уровень остаточных напряжений, вы-
зывающих фрагментацию и возможное отслоение
керамики в процессе термоциклического воздей-
ствия [17, 18]. Более толстый связующий слой пок-
рытия в области спинки обеспечивает более замет-
ный положительный эффект от модифицирования
покрытия.
Обработка ионами аргона поверхности конден-
сата в процессе его формирования не изменяет су-
щественно долговечность покрытия в спинке, но
значительно увеличивает термостойкость покрытия
в корыте. Адгезия и термостойкость термобарьер-
ного покрытия определяется свойствами межфаз-
ной поверхности, с которой оно связано, т. е. тонкой
пленки Al2O3. Полученные результаты показали,
что в условиях изотермического окисления при 1200 °С
в течение 10 ч толщина пленки Al2O3 практически
не зависит от температуры осаждения керамики, от
участка профиля (спинка, корыто) и составляет
примерно 4…6 мкм.
Рис. 9. Влияние модифицирования керамики путем введения
оксида гадолиния и осаждения с ионным облучением на микрот-
вердость слоя ZrO2(Y2O3) в исходном состоянии и после терми-
ческих обработок; температура осаждения 850 °С: а – спинка;
б – корыто; 1 – исходное состояние; 2 – отжиг 1100 °С, 1 ч,
вакуум; 3 – отжиг 1200 °С, 10 ч, воздух
Т а б л и ц а 2 . Пористость внешнего слоя (Tк = 850 °С), %
Состояние слоя Участок профиля лопатки Без добавок ZrO2—7 % Y2O3 ZrO2—7 % Y2O3—Cd2O3 Ионная обработка аргоном
Исходное Спинка 13,5 13,0 18,7
Корыто 5,4 5,0 10,9
Вакуумный отжиг при
1100 °С, 1 ч
Спинка 16,1 15,1 23,7
Корыто 6,9 4,1 10,9
Окислительный отжиг
при 1200 °С, 10 ч
Спинка 16,0 14,4 20,4
Корыто 4,3 6,3 10,9
Рис. 10. Термоциклическая долговечность градиентных термо-
барьерных покрытий на образцах в условиях печных испытаний
при 1150 °С в зависимости от условий осаждения внешнего кера-
мического слоя: 1 – спинка; 2 – корыто; YSZ – ZrO2—8 % Y2O3;
Gd2O3 – ZrO2—8 % Y2O3—Gd2O3; Ar—ZrO2—8 % Y2O3 с обработкой
ионами аргона
28
При термоциклических испытаниях толщина
пленки TGO (примерно 4 и 10 мкм) является кри-
тической для разрушения покрытия по границе
Me—TGO в зонах соответственно корыта и спинки
лопатки. При этом основной причиной скалывания
внешнего керамического слоя являются напряже-
ния, возникающие в слое TGO по мере увеличения
его толщины.
Наибольшие напряжения возникают в покрытии
на участках профиля лопатки, имеющих большую
плотность, в данном случае в образцах, имитирую-
щих кривизну поверхности в зоне корыта. Релак-
сация напряженного состояния возможна путем уве-
личения микропористости керамического слоя. По-
этому управляемое воздействие ионной бомбарди-
ровки на конденсируемую поверхность позволяет
увеличить пористость внешнего керамического слоя
в зоне корыта и приводит к повышению термостой-
кости покрытия.
Выводы
1. Показано, что в результате эффекта «затенения»
толщина осаждаемого слоя покрытия в зоне корыта
на 30…33 % ниже, чем в зоне спинки.
2. Определено, что микротвердость внешнего ке-
рамического слоя ZrO2—8 % Y2O3, осаждающегося
в зоне корыта, в 2,2…2,5 раза выше, чем в зоне
спинки независимо от температуры осаждения (600,
850 и 1000 °С). При этом уровень пористости об-
ратно пропорционален уровню микротвердости и
составляет соответственно 16,1 и 5,4 % для зон спин-
ки и корыта при температуре осаждения 850 °С.
3. Установлено, что диаметр единичных столб-
чатых кристаллитов ZrO2—8 % Y2O3, осажденных
в зоне корыта, в 2,5…3,0 раза меньше, чем в зоне
спинки.
4. Определено, что в керамическом слое, осаж-
денном в зоне корыта, при уровнях микротвердос-
ти, достигающих 9…10 ГПа, возможно образование
специфических компрессионных микротрещин,
распространяющихся параллельно подложке и не
выходящих на поверхность покрытия.
5. Результаты, изложенные в выводах (пп. 1—4),
практически соответствуют результатам, получен-
ным на реальных лопатках ГТД.
6. Установлено, что термоциклическая долговеч-
ность термобарьерных покрытий, осажденных в зоне
корыта, в 6…8 раз ниже, чем в зоне спинки, при
исследованных температурах осаждения.
7. Показано, что обработка внешнего керамичес-
кого слоя ионами аргона в процессе его осаждения
обеспечивает повышение пористости в зонах корыта
более, чем в 2 раза, при этом различие в термоцик-
лической долговечности покрытия в зонах корыта
и спинки не превышает 30…35 %. Ионная обработ-
ка, как и введение оксида гадолиния в керамичес-
кий слой, позволяет избежать образования комп-
рессионных микротрещин.
1. Mechanisms controlling the durability of thermal barrier co-
atings / A. G. Evans, D. R. Mumm, J. W. Hutchinson et
al. // Progress in Materials Science. – 2001. – № 46. –
P. 505—553.
2. Levi C. G. Emerging materials and processes for thermal
barrier systems // Solid State and Material Science. –
2004. – № 38. – P. 77—91.
3. Будиновский С. А., Мубояджан С. А., Гаямов Л. М.
Современное состояние и основные тенденции развития
высокотемпературных теплозащитных покрытий для ра-
бочих лопаток турбин авиационных ГТД // Авиац.
пром-сть. – 2008. – № 4 – С. 33—37.
4. Tamarin Y. Protective coatings for turbine blades. – Ohio:
ASM Intern., 2002. – 248 p.
5. Rhys-Jones T. N., Toriz F. C. Thermal barrier coatings for
turbine applications in aero engines // High Temp. Tech-
nol. – 1989. – № 7. – P. 73—81.
6. Schulz U., Fritscher K., Leyens C. Two-source jumping
beam evaporation for advanced EB-PVD TBC systems //
Surf.&Coat. Technol. – 2000. – Vol. 133-134. – P. 40—48.
7. Пат. 56228А Украина, МПК С 23 С 14/24. Компози-
ционный слиток для получения путем испарения функци-
онального градиентного покрытия с внешним керамичес-
ким слоем на металлической подложке / Б. А. Мовчан,
Ю. Э. Рудой, Л. М. Нероденко. – Опубл. 15.05.2004;
Бюл. № 4.
8. Movchan B. A., Yakovchuk K. Yu. Graded thermal barrier
coatings, deposited by EB-PVD // Surf.&Coat. Tech-
nol. – 2004. – Vol. 188-189. – P. 85—92.
9. Яковчук К. Ю., Рудой Ю. Э. Одностадийная электронно-
лучевая технология осаждения термобарьерных покрытий //
Современ. электрометаллургия. – 2003. – № 2. –
С. 10—16.
10. Thornton J. A. High rate thick film growth // Annual Re-
view of Materials Science. – 1977. – Vol. 7. – P. 239—260.
11. Новосад Л. Ю., Гречанюк Н. И., Мовчан Б. А. исследо-
вание структуры и свойств толстых вакуумных конденса-
тов ZrO2 и ZrO2—Y2O3 // Пробл. спец. электрометал-
лургии. – 1986. – № 2. – С. 27—33.
12. Schulz U., Terry S. G., Levi C. G. Microstructure and textu-
re of EB-PVD TBCs grown under different rotation
modes // Materials Science and Engineering. – 2003. –
Vol. 360. – P. 318—328.
13. Texture and microstructure of ZrO2-4 mol. % Y2O3 layers ob-
liquely deposited by EB-PVD / K. Wada, M. Yoshiya,
N. Yamaguchi, H. Matsubara // Surface & Coating Tech-
nology. – 2006. – № 200. – P. 2725—2730.
14. Nissley D. M. Thermal barrier coating life modeling in airc-
raft gas turbine engines // J. of Thermal Spray Technolo-
gy. – 1997. – 6, № 1. – P. 91—98.
15. Результаты промышленной эксплуатации рабочих лопа-
ток турбины энергетической установки ГТ-100 с конденса-
ционными защитными покрытиями / И. С. Малашенко,
А. С. Осыка, А. И. Рыбников, О. Г. Панков // Пробл.
спец. электрометаллургии. – 1993. – № 1. – С. 53—65.
16. Movchan B. A., Yakovchuk K. Yu. Advanced graded pro-
tective coatings, deposited by EB-PVD // Materials scien-
ce forum. – 2007. – Vol. 546-549. – P. 1681—1688.
17. Modeling of residual stresses variation with thermal cycling
in thermal barrier coatings / W. G. Mao, Y. C. Zhao,
L. Yang, X. H. Yu // Mechanics of Materials. – 2006. –
Vol. 38. – P. 1118—1127.
18. Buckling delamination in compressed multilayers on curved
substrates with accompanying ridge cracks / S. Faulhaber,
C. Mercer, M.-W. Moon et al. // J. of Mechanics and
Physics of Solids. – 2006. – Vol. 54. – P. 1004—1028.
Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев
ГП «МЦ электронно-лучевых технологий
ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины», Киев
Поступила 04.10.2010
29
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96183 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7681 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T19:02:21Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Яковчук, К.Ю. Рудой, Ю.Э. Нероденко, Л.М. Оноприенко, Е.В. Ахтырский, А.О. 2016-03-12T12:01:11Z 2016-03-12T12:01:11Z 2011 Влияние кривизны поверхности подложки на структуру и свойства термобарьерных, конденсационных покрытий / К.Ю. Яковчук, Ю.Э. Рудой, Л.М. Нероденко, Е.В. Оноприенко, А.О. Ахтырский // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 1 (102). — С. 22-29. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96183 669.187.526.001.5 Представлены результаты исследований химического состава, структуры и некоторых свойств термобарьерных градиентных покрытий, получаемых путем электронно-лучевого испарения композиционного керамического слитка на основе диоксида циркония на поверхность жаропрочных сплавов по одностадийной технологии. Предложена методика осаждения термобарьерных покрытий на образцы в оснастке, моделирующей условия конденсации на участках пера лопатки газовой турбины с положительной и отрицательной кривизной поверхности (в области спинки и корыта). Установлено влияние температуры осаждения покрытий на их структуру и свойства (микротвердость, пористость и термоциклическую долговечность). Показан положительный эффект от применения обработки ионами аргона внешнего керамического слоя в процессе осаждения покрытия, а также градиентное введение в его состав оксида гадолиния для предотвращения появления микроструктурных дефектов в виде микротрещин и повышения термоциклической долговечности покрытий в области корыта. Results of investigations of chemical composition, structure and some properties of thermal barrier gradient coatings produced by electron beam evaporation of composite ceramic ingot on the base of zirconium dioxide to the surface of heat-resistant alloys using a single-stage technology are presented. The method of deposition of thermal barrier coatings on samples in fixture, simulating the conditions of condensation on areas of gas turbine blade airfoil with positive and negative curvature of surface (in the area of convex and concave sides) was offered. The effect of temperature of coatings deposition on their structure and properties (microhardness, porosity and thermal cycling life) was established. A positive effect is shown by application of treatment of external ceramic layer by argon ions during the process of deposition, as well as by a gradient adding of gadolinium oxide into its composition to prevent the appearance of microstructural defects in the form of microcracks and to improve the thermocyclic life of coatings in the area of concave side. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Электронно-лучевые процессы Влияние кривизны поверхности подложки на структуру и свойства термобарьерных, конденсационных покрытий Effect of substrate surface curvature on structure and properties of thermal barrier condensation coatings Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние кривизны поверхности подложки на структуру и свойства термобарьерных, конденсационных покрытий Яковчук, К.Ю. Рудой, Ю.Э. Нероденко, Л.М. Оноприенко, Е.В. Ахтырский, А.О. Электронно-лучевые процессы |
| title | Влияние кривизны поверхности подложки на структуру и свойства термобарьерных, конденсационных покрытий |
| title_alt | Effect of substrate surface curvature on structure and properties of thermal barrier condensation coatings |
| title_full | Влияние кривизны поверхности подложки на структуру и свойства термобарьерных, конденсационных покрытий |
| title_fullStr | Влияние кривизны поверхности подложки на структуру и свойства термобарьерных, конденсационных покрытий |
| title_full_unstemmed | Влияние кривизны поверхности подложки на структуру и свойства термобарьерных, конденсационных покрытий |
| title_short | Влияние кривизны поверхности подложки на структуру и свойства термобарьерных, конденсационных покрытий |
| title_sort | влияние кривизны поверхности подложки на структуру и свойства термобарьерных, конденсационных покрытий |
| topic | Электронно-лучевые процессы |
| topic_facet | Электронно-лучевые процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96183 |
| work_keys_str_mv | AT âkovčukkû vliâniekriviznypoverhnostipodložkinastrukturuisvoistvatermobarʹernyhkondensacionnyhpokrytii AT rudoiûé vliâniekriviznypoverhnostipodložkinastrukturuisvoistvatermobarʹernyhkondensacionnyhpokrytii AT nerodenkolm vliâniekriviznypoverhnostipodložkinastrukturuisvoistvatermobarʹernyhkondensacionnyhpokrytii AT onoprienkoev vliâniekriviznypoverhnostipodložkinastrukturuisvoistvatermobarʹernyhkondensacionnyhpokrytii AT ahtyrskiiao vliâniekriviznypoverhnostipodložkinastrukturuisvoistvatermobarʹernyhkondensacionnyhpokrytii AT âkovčukkû effectofsubstratesurfacecurvatureonstructureandpropertiesofthermalbarriercondensationcoatings AT rudoiûé effectofsubstratesurfacecurvatureonstructureandpropertiesofthermalbarriercondensationcoatings AT nerodenkolm effectofsubstratesurfacecurvatureonstructureandpropertiesofthermalbarriercondensationcoatings AT onoprienkoev effectofsubstratesurfacecurvatureonstructureandpropertiesofthermalbarriercondensationcoatings AT ahtyrskiiao effectofsubstratesurfacecurvatureonstructureandpropertiesofthermalbarriercondensationcoatings |