Исследование функциональных возможностей конденсированных градиентных термобарьерных покрытий
Проведен сравнительный анализ структуры и свойств конденсационных термобарьерных покрытий, полученных электронно-лучевым способом по традиционной многоступенчатой технологии, а также градиентных покрытий, осажденных по одностадийной технологии. Показано, что термоциклическая долговечность на воздухе...
Saved in:
| Published in: | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2014
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96812 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Исследование функциональных возможностей конденсированных градиентных термобарьерных покрытий / К.Ю. Яковчук, Ю.Э. Рудой, Л.М. Нероденко, А.В. Микитчик, В.А. Акрымов // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 1 (114). — С. 28-36. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859946218326589440 |
|---|---|
| author | Яковчук, К.Ю. Рудой, Ю.Э. Нероденко, Л.М. Микитчик, А.В. Акрымов, В.А. |
| author_facet | Яковчук, К.Ю. Рудой, Ю.Э. Нероденко, Л.М. Микитчик, А.В. Акрымов, В.А. |
| citation_txt | Исследование функциональных возможностей конденсированных градиентных термобарьерных покрытий / К.Ю. Яковчук, Ю.Э. Рудой, Л.М. Нероденко, А.В. Микитчик, В.А. Акрымов // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 1 (114). — С. 28-36. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современная электрометаллургия |
| description | Проведен сравнительный анализ структуры и свойств конденсационных термобарьерных покрытий, полученных электронно-лучевым способом по традиционной многоступенчатой технологии, а также градиентных покрытий, осажденных по одностадийной технологии. Показано, что термоциклическая долговечность на воздухе при 400 Л Л1100 °С градиентных термобарьерных покрытий СДП-3А/AlCr/ZrO₂Д8 % Y₂O₃ и СДП-6/AlCr/ZrO₂-8 % Y₂O₃ на жаропрочном сплаве ЧС88У-ВИ составляет 900...1100 одночасовых циклов, что в 1,5-2,0 раза превышает среднее значение долговечности стандартных двухслойных покрытий СДП-3А/ZrO₂Д8 % Y₂O₃. Установлено, что толщина слоя окалины на основе Al2O₃ после 500 ч изотермического отжига на воздухе при 1100 °С в градиентных термобарьерных покрытиях СДП-3А/AlCr/ZrO₂Д8 % Y₂O₃ и СДП-6/AlCr/ZrO₂Д8 % Y₂O₃ однородна и составляет около 5 мкм, в стандартных покрытиях характеризуется неоднородностью при толщине около 10 мкм. Ширина обедненной алюминием зоны в связующем слое не превышает 5 мкм. В стандартных покрытиях слой окалины характеризуется неоднородностью при толщине 10 мкм; ширине обедненной зоны примерно 15...20 мкм.
Carried out was the comparative analysis of structure and properties of condensation thermal barrier coatings produced using electron beam method by tradition multi-stage technology and also gradient coatings deposited according to the single-stage technology. It is shown that thermal cyclic life in the air at 400 ↔ 1100 °C of gradient thermal barrier coatings SDP-3A/AlCr/ZrO₂—8 % Y₂O₃ and SDP-6/AlCr/ZrO₂—8 % Y₂O₃ on the heat-resistant alloy ChS88U-VI amounts to 900...1100 one hour cycles, which 1.5...2.0 times exceeds the mean value of life of standard two-layer coatings SDP-3A AlCr/ZrO₂—8 % Y₂O₃. It is established that thickness of layer of scale on the base of Al2O₃ after 500 h of isothermal annealing in the air at 1100 °C in gradient thermal barrier coatings SDP-3A/AlCr/ZrO₂—8 % Y₂O₃ and SDP-6/AlCr/ZrO₂—8 % Y₂O₃ is homogeneous and amounts to about 5 μm, while in standard coatings it is characterized by heterogeneity at the thickness of about 10 μm. The width of the zone depleted by aluminium in the bond layer does not exceed 5 μm. In the standard coatings the layer of scale is characterized by heterogeneity at the thickness of 10 μm; the width of depleted zone is about 15...20 μm.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:13:39Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 669.187.526.001.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ
ВОЗМОЖНОСТЕЙ КОНДЕНСИРОВАННЫХ
ГРАДИЕНТНЫХ ТЕРМОБАРЬЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ
К. Ю. Яковчук1, Ю. Э. Рудой2, Л. М. Нероденко1,
А. В. Микитчик1, В. А. Акрымов3
1Государственное предприятие «Международный центр электронно-лучевых технологий
ИЭС им. Е.О.Патона НАН Украины».
03150, г. Киев, ул. Горького, 68. E-mail: yakovchuk@paton-icebt.kiev.ua
2Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины.
03150, Киев, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
3Государственное предприятие Научно-производственный комплекс газотурбостроения «Заря»—«Машпроект».
54018, г. Николаев, пр. Октябрьский, 42-а. E-mail: presz@zorya.com.ua
Проведен сравнительный анализ структуры и свойств конденсационных термобарьерных покрытий, полученных
электронно-лучевым способом по традиционной многоступенчатой технологии, а также градиентных покрытий,
осажденных по одностадийной технологии. Показано, что термоциклическая долговечность на воздухе при 400 ↔
↔ 1100 °С градиентных термобарьерных покрытий СДП-3А/AlCr/ZrO2—8 % Y2O3 и СДП-6/AlCr/ZrO2—8 %
Y2O3 на жаропрочном сплаве ЧС88У-ВИ составляет 900...1100 одночасовых циклов, что в 1,5—2,0 раза превышает
среднее значение долговечности стандартных двухслойных покрытий СДП-3А/ZrO2—8 % Y2O3. Установлено, что
толщина слоя окалины на основе Al2O3 после 500 ч изотермического отжига на воздухе при 1100 °С в градиентных
термобарьерных покрытиях СДП-3А/AlCr/ZrO2—8 % Y2O3 и СДП-6/AlCr/ZrO2—8 % Y2O3 однородна и составляет
около 5 мкм, в стандартных покрытиях характеризуется неоднородностью при толщине около 10 мкм. Ширина
обедненной алюминием зоны в связующем слое не превышает 5 мкм. В стандартных покрытиях слой окалины
характеризуется неоднородностью при толщине 10 мкм; ширине обедненной зоны примерно 15...20 мкм.
Библиогр. 13, табл. 2, ил. 8.
Ключ е вы е с л о в а : электронно-лучевое испарение и конденсация в вакуум; градиентные термобарьерные
покрытия; никелевый жаропрочный сплав ЧС-88; жаростойкий металлический связующий слой Co(Ni)CrAlY;
термически выращенный оксид α-Al2O3; внешний керамический слой ZrO2—8 % Y2O3; термоциклические и изо-
термический испытания; диффузия элементов; долговечность покрытия
Современные термобарьерные покрытия, применя-
емые для защиты лопаток газотурбинных двигате-
лей, представляют собой многослойные системы,
состоящие из металлического жаростойкого связую-
щего слоя, наносимого на подложку (жаропрочный
сплав—материал лопатки), и низкотеплопроводного
внешнего керамического слоя на основе диоксида
циркония, частично стабилизированного оксидом
иттрия (YPSZ). Между этими слоями формируют
тонкую пленку термически выращенного оксида α-
Al2O3 (TGO), обеспечивающую адгезию внешнего
керамического слоя с поверхностью металлического
жаростойкого связующего слоя.
В зависимости от условий эксплуатации турби-
ны (температуры газового потока, насыщенности
воздуха пылевыми частицами или солями морской
воды), для лопаток применяют металлический жа-
ро- и/или коррозионностойкий связующий слой
различного состава [1—5]. В условиях эксплуатации
химический и фазовый составы этого металлическо-
го слоя претерпевают существенные изменения в
результате диффузионного взаимодействия с мате-
риалом защищаемого сплава [6].
Одностадийная электронно-лучевая технология
осаждения термобарьерных градиентных покрытий
(ГП) [7] позволяет получать на поверхности метал-
лического жаростойкого связующего слоя дополни-
тельные переходные зоны, состав которых может
быть различным, например, интерметаллиды (NiAl,
CoAl), алюминий, алюминий + хром и др. [8, 9].
В процессе получения покрытия и eго финиш-
ной термической обработки на границе контакта
NiCoCrAlY/YPSZ за счет диффузионных потоков
формируется переходная зона с градиентом хими-
ческого состава. Модифицирование химического
состава указанной переходной зоны должно способ-
ствовать улучшению термомеханической совмести-
мости металлического и керамического слоев, за-
медлению кинетики роста пленки на основе α-Al2O3,
ограничению диффузии тугоплавких элементов,
© К. Ю. ЯКОВЧУК, Ю. Э. РУДОЙ, Л. М. НЕРОДЕНКО, А. В. МИКИТЧИК, В. А. АКРЫМОВ, 2014
28
входящих в состав защищаемого жаропрочного
сплава. Образование оксидов данных элементов
увеличивает толщину и нарушает сплошность
пленки Al2O3, что приводит к разрушению покры-
тия [1, 2].
В настоящей работе в качестве жаростойкого
связующего слоя использовали следующие сплавы
на основе кобальта, мас. %: СДП-6 (22...24 Cr, 11...
...13 Al, 8...10 Ni, 0,4...0,6 Y) и СДП-3А (22...24 Cr,
11...13 Al, ≤2 Ni, 0,4...0,6 Y).
Цель настоящей работы заключалась в сравни-
тельном анализе возможностей термобарьерных
стандартных покрытий (СП), имеющих металли-
ческий связующий слой CoCrAlY и внешний кера-
мический YРSZ, а также ГП, полученных по одно-
стадийной технологии и состоящих из металличес-
кого связующего слоя, внешнего керамического по-
крытия и переходной зоны между ними; выборе
оптимального состава переходной зоны на границе
жаростойкого металлического связующего слоя
CoNiCrAlY с внешним керамическим покрытием,
обеспечивающим максимальную долговечность
термобарьерных ГП, для чего проанализированы
микроструктурные особенности покрытий в состо-
янии после осаждения, термической обработки и
последующих термоциклических и изотермических
испытаний.
В качестве дополнительного переходного слоя в
ГП исследован промежуточный слой, содержащий
алюминий и алюминий с хромом.
Для сравнения в одностадийном процессе полу-
чено двухслойное покрытие (ДП) состоящее из свя-
зующего слоя СДП-3А или СДП-6 и верхнего кера-
мического слоя.
Осаждение ГП и ДП проводили на электронно-
лучевой установке за один технологический цикл
согласно технологии, базирующейся на использова-
нии композиционного слитка и испарителя кару-
сельного типа [7—9].
Термобарьерные ГП наносили на плоские образцы
в виде дисков из жаропрочного сплава ЧС88У-ВИ
диаметром 24...25 мм, толщиной 3...4 мм.
В медный водоохлаждаемый тигель помещали
металлический слиток жаростойкого сплава на ко-
бальтовой основе СДП-6 или СДП-3А со сформи-
рованной на поверхности слитка тугоплавкой ван-
ной-посредником [9], в испаритель карусельного
механизма – композиционный слиток на основе
ZrO2(8Y2O3) [8].
После предварительного нагрева образцов и
формирования жидкой ванны с использованием
электронного луча осаждали металлический жаро-
стойкий связующий слой Co(Ni)CrAlY.
После этого оснастку с образцами перемещали
и располагали над карусельным испарителем. На
втором этапе одностадийного процесса осуществ-
ляли осаждение градиентной переходной зоны и
внешнего керамического слоя.
После нанесения ГП все образцы отжигали в ва-
кууме при температуре 1100 °С, давлении 1⋅10—3 Па
в течение 60 мин.
Термобарьерные СП (без градиентной переход-
ной зоны) получали по традиционной электронно-
лучевой технологии путем последовательных опе-
раций, включающих нанесение металлического жа-
ростойкого слоя на образцы, их вакуумную терми-
ческую обработку, упрочняющую дробеструйную
обработку поверхности образцов микрошариками,
повторную термическую обработку, обработку по-
верхности металлического слоя обдувкой корундом
[10] и нанесение внешнего керамического слоя с
последующей термообработкой [6]. СП получали
на НПКГ«Заря»—«Машпроект».
Химический состав исследованных покрытий,
полученных по традиционной многоступенчатой
технологии, а также ГП и ДП (одностадийный про-
цесс) следующий:
Вариант покрытия Состав покрытия
СП
СП-1 .......................... ЧС-88/СДП-3А/8YSZ
СП-2 .......................... ЧС-88/СДП-3А/8YSZ
СП-3 .......................... ЧС-88/СДП-3А/8YSZ
СП-4 .......................... ЧС-88/СДП-3А/8YSZ
СП-5 .......................... ЧС-88/СДП-3А/8YSZ
ДП
ДП-1 .......................... ЧС-88/СДП-6/8YSZ
ДП-2 .......................... ЧС-88/СДП-3A/8YSZ
ГП
ГП-2 ........................... ЧС-88/СДП-6/100 Al/8YSZ
ГП-3 ........................... ЧС-88/СДП-6/50Al 50Cr/8YSZ
ГП-4 ........................... ЧС-88/СДП-6/60Al 40Cr/8YSZ
ГП-6 ........................... ЧС-88/СДП-3A/75Al 25Cr/8YSZ
ГП-7 ........................... ЧС-88/СДП-3A/60Al 40Cr/8YSZ
Рис. 1. Микроструктура поперечного сечения термобарьерных
покрытий на подложке ЧС-88 в состоянии перед испытаниями
СП СДП-3А/ZrO2—8 % Y2O3 (а) и ГП (б)
29
Толщину отдельных слоев покрытия определя-
ли с помощью оптического микроскопа PolivarMet.
Исследование микроструктуры и определение мик-
ротвердости стандартных покрытий и ГП выполне-
ны на образцах в состоянии после термообработки
и термоциклирования.
Микротвердость измеряли на шлифах попереч-
ного сечения покрытий с помощью приставки
Micro-Duromat 4000E к оптическому микроскопу
Polyvar-Met стандартным индентором Виккерса
при нагрузке 50 Н с фиксированными скоростью
нагружения и временем выдержки при нагрузке.
Структуру термобарьерных покрытий изучали на
растровом электронном микроскопе Tescan Vega 3,
химический состав определяли путем микрорентге-
носпектрального анализа с использованием энер-
годисперсионной приставки INCA 200 к РЭМ Cam-
Scan 4D.
Термоциклические испытания проведены на воз-
духе с выдержкой 1 ч/цикл 400 ↔ 1100 °С, длитель-
ность цикла 1 ч.
Исследование термостабильности покрытий
осуществляли при изотермическом отжиге образ-
цов при температуре 1100 °С в течение 500 ч и
Рис. 2. Микроструктура и распределение основных элементов в поперечном сечении термобарьерного СП-3 в исходном состоянии
(а, в) и после термоциклирования (б, г); l – протяженность распределения основных элементов
Т а б л и ц а 1 . Значения толщины и микротвердости отдельных слоев покрытия после термообработки и
термоциклирования
Слой
СП ГП
δ, мкм НV, ГПа δ, мкм НV, ГПа
Связующий СДП-3А, СДП-6 80...140 5 90...120 4,4
Промежуточный — — 25...30 4,9
Керамика (после термоциклирования) 70...110 2,8...3,2
(4,5...5,4)
70...130 3,5...3,8
(5,6...7,2)
30
Рис. 3. Микроструктуры в состоянии после термообработки термобарьерных ДП-1 (а), ГП-2 (в), ГП-4 (д), ГП-7 (ж) и после
термоциклирования ГП-1 (б), ГП-2 (г), ГП-4 (е), ГП-7 (з)
31
анализе микроструктуры на межфазной границе
через каждые 100 ч.
Cтруктура и свойства образцов с СП. Микрост-
руктура стандартного покрытия в образцах в сос-
тоянии поставки и после термоциклирования приве-
дена на рис. 1, 2. В исходном состоянии структура
металлического жаростойкого слоя СДП-3А со-
стоит из ориентированных кристаллитов, вытяну-
тых в направлении падения парового потока. На
границе металлического и керамического слоев
видна тонкая (менее 0,2 мкм) прослойка TGO
(рис. 2, а).
В табл. 1 даны значения толщин отдельных
слоев покрытия после термообработки и микротвер-
дости, термообработки и термоциклирования (в
Рис. 4. Распределение основных элементов по сечению градиентных термобарьерных покрытий ДП-1 (а), ГП-2 (в), ГП-4 (д), ГП-7
(ж) и после термоциклирования ГП-1 (б), ГП-2 (г), ГП-4 (е), ГП-7 (з) в состоянии после термообработки
32
слое керамики). Керамический слой YРSZ имеет
столбчатую структуру с незначительной пори-
стостью.
Распределение основных элементов на границе
слоев связующий/керамический в образцах в ис-
ходном состоянии и после термоциклирования ил-
люстрирует рис. 2, в, г.
В процессе термоциклирования элементы метал-
лического слоя СДП-3А (алюминий, никель, ко-
бальт), а также элементы защищаемой подложки
(вольфрам, молибден, титан) диффундируют к гра-
нице TGO/YРSZ (рис. 2, г), концентрируясь в зоне
под слоем TGO, что вызывает преждевременное
разрушение покрытия из-за распространения тре-
щины вдоль этой зоны. Слой TGO отличается неод-
нородностью, одновременно образуются массивные
трещины по всей толщине керамики (рис. 2, б).
Структура и свойства образцов с термобарьерным
ГП. Типичная микроструктура поперечного сечения
ГП на подложке ЧС-88 в состоянии поcле термооб-
работки показана на рис. 1, б. Структуру слоев,
составляющих покрытие, в окрестности межфазной
границы связующий слой/керамическое покрытие
в образцах различного состава после термообработ-
ки в вакууме (до проведения испытаний) и после
термоциклирования иллюстрирует рис. 2.
Даны примеры кривых распределения основных
элементов после термообработки и термоциклиро-
вания для покрытия без переходной зоны на ме-
таллическом жаростойком связующем слое СДП-6,
полученном в одностадийном процессе (рис. 4, а,
б), и ГП с металлическим жаростойким
связующим слоем СДП-6 (рис. 4, в—е) и
СДП-3 (рис. 4, ж, з).
Химический состав переходной зоны
покрытия (на границе Me/TGO) после
термообработки в вакууме приведен в
табл. 2.
Для первого металлического жарос-
тойкого связующего слоя (СДП-3А или
СДП-6) характерна столбчатая направ-
ленная структура с размером единичного
кристаллита в исходном состоянии
примерно 4...6 мкм, после вакуумного
отжига – приблизительно 8 мкм. Иногда
после конденсации в верхней зоне слоя СДП обна-
руживаются межкристаллитные поры, устраняе-
мые при последующей термообработке.
Переходная зона между слоем СДП и керамикой
имеет многофазную структуру; керамический слой ха-
рактеризуется равномерной столбчатой структурой.
Анализ микроструктуры и распределения хими-
ческих элементов показал существенное влияние на
долговечность покрытия взаимосвязанных парамет-
ров – состава переходной зоны и температуры
осаждения керамического слоя.
Адгезия и термостойкость термобарьерного по-
крытия зависят от характеристик межфазной по-
верхности, с которой он связан. Межфазной по-
верхностью для внешнего керамического слоя явля-
ется тонкая пленка Al2O3, формируемая на повер-
хности металлического жаростойкого связующего
слоя (либо перед осаждением керамического слоя,
либо в процессе последующей термообработки). Ус-
тановлено, что фазовое превращение Al2O3 (γ-Al2O3
в α-Al2O3) в процессе термоциклических испытаний
снижает долговечность покрытия [10]. В связи с
этим особую важность приобретает формирование
стабильной пленки Al2O3.
В образцах без переходной зоны, полученных по
одностадийному процессу СДП-3А/8YSZ (ДП-5) и
СДП-6/8YSZ (ДП-1), в исходном состоянии слой
Al2O3 отсутствует; после вакуумной термообработ-
ки в структуре видна тонкая (около 0,2 мкм) преры-
вистая прослойка TGO (рис. 3, а). В градиентном
покрытии с переходным слоем алюминия (ГП-2)
слой Al2O3 после термообработки выражен более
Т а б л и ц а 2 . Химический состав металла переходной зоны покрытия после термообработки в вакууме, мас. %
Вариант покрытия Состав покрытия Al Cr Co Ni
ГП-1 СДП-6/8YSZ 11,4 17,8 58,9 11,0
ДП-2 СДП-6/100Al/ 8YSZ 19,7 9,8 68,1
ГП-3 СДП-6/50Al50Cr/8YSZ 7,0 48,6 38,5 3,3
ГП-4 СДП-6/60Al40Cr/8YSZ 11,7 75,9 11,0 1,4
ДП-5 СДП-3А/8YSZ 5,0 18,9 76,1 —
ГП-6 СДП-3А/ 75Al25Cr/8YSZ 25,7 35,4 38,8 —
ГП-7 СДП-3А/ 60Al40Cr/8YSZ 13,2 77,8 9,0 —
Рис. 5. Термоциклическая долговечность образцов с СП и ГП; Nт/ц – количес-
тво термоциклов
33
ярко (рис. 3, в). При этом на границе с СДП-6
формируется переходная зона с высоким содержа-
нием алюминия. При наличии тонкой прерывистой
прослойки TGO контактная площадь между метал-
лическим жаростойким связующим слоем и кера-
микой намного меньше, чем в образцах с относи-
тельно плотной пленкой Al2O3, соседствующей с
керамикой [11]. При наличии в переходной зоне
ГП из алюминия и хрома в процессе вакуумной тер-
мообработки формируется достаточно плотный
слой Al2O3 толщиной около 1 мкм. В образцах с
тонкой пленкой TGO (или при ее отсутствии) в
процессе термообработки на границе с керамикой
образуется прослойка, обогащенная хромом и нике-
лем, по которой в ходе дальнейшего термоциклиро-
вания может происходить скалывание покрытия.
Рис. 6. Микроструктуры поперечного сечения покрытия на СДП-3А после отжига при 1100 °С в течение 100, 300, 500 ч: а, в, д –
СП; б, г, е – ГП
Рис. 7. Микротвердость керамического слоя в центре керамичес-
кого покрытия: 1 – ГП со связующим слоем СДП-6; 2 – ГП
со связующим слоем СДП-3A; 3 – СП со связующим слоем
СДП-3А
34
Важное значение имеет также температура осаж-
дения керамики, превышение которой над отималь-
ной приводит к диффузии хрома и алюминия в ке-
рамику; в составе формирующегося слоя TGO так-
же присутствуют кобальт, хром и никель, что уско-
ряет его разрушение при термоциклировании. В
случае снижения температуры испарения на 50 °С
в составе TGO после разрушения (в соответствии с
данными химического анализа) диффузия хими-
ческих элементов практически отсутствует. Образо-
вание оксидов металлов увеличивает толщину и на-
рушает сплошность пленки Al2O3 [12, 13]. Принци-
пиально важным является наличие в переходной
зоне примерно 70 мас. % хрома, создающего эффек-
тивный барьер, препятствующий диффузии элемен-
тов металлического жаростойкого связующего слоя,
материала подложки, а также замедляющего рост
слоя оксида алюминия.
Результаты термоциклических испытаний тер-
мобарьерных СП и ГП обобщены на гистограмме
(рис. 5). Наиболее высокий уровень долговечности
имеют градиентные термобарьерные ГП (ГП-7 и ГП-4),
состав переходной зоны которых является опти-
мальным.
Оценка термостабильности образцов. Основные
изменения в структуре связаны с ростом оксидной
пленки Al2O3, разделяющей внешний керамический
и связующий слои, происходящим в результате оки-
сления поверхности металлического связующего слоя.
В образцах с СП и ГП в исходном состоянии тол-
щина пленки Al2O3 составляет соответственно при-
мерно 0,2 и 1,0 мкм (рис. 2, а; рис. 3, а, в, д, ж).
Следует отметить существенную неоднородность слоя
TGO стандартных образцов в исходном состоянии.
После отжига в течение 500 ч слой TGO на стан-
дартных образцах характеризуется значительной
неоднородностью по толщине слоя, которая места-
ми превышает 9 мкм (рис. 6, а, в, д). На образцах
с ГП слой Al2O3 достаточно однороден, при этом
его средняя толщина составляет около 5 мкм
(рис. 6, б, г, е).
Существенное отличие зафиксировано в концент-
рации алюминия на границе связующий слой/оксид
алюминия. В образцах с ГП содержание алюминия
в металлическом слое в состоянии после вакуумного
отжига составляет приблизительно 11...15 мас. %,
после выдержки в течение 500 ч – около 11...
...12 мас. %. В образцах со стандартным покрытием
концентрация алюминия в указанной зоне снижа-
ется от приблизительно 15 мас. % в состоянии пос-
тавки до примерно 4 мас. % после 500 ч отжига,
т. е. практически исчерпывается количество алюми-
ния, необходимое для обеспечения жаростойкости
металлического связующего слоя.
В образцах с СП после длительного отжига тол-
щина обедненной алюминием зоны в слое СДП,
прилегающем к слою TGO, составляет около 15...
...20 мкм (рис. 6, д). В ГП с металлическим жаро-
стойким связующим слоем СДП-3А эта зона не пре-
вышает 5 мкм (рис. 6, е).
Изменения в структуре внешнего керамического
слоя в процессе отжига образцов с СП и ГП показа-
ны на рис. 6. Результаты измерения микротвердо-
сти керамического слоя в центре керамического
слоя представлены на рис. 7. Керамический слой в
образцах с СП отличается большей рыхлостью, чем
с ГП, спекание и растрескивание керамики происхо-
дит после отжига в течение 400 ч. После 500 ч от-
жига уровень микротвердости покрытий обоих ти-
пов примерно одинаков.
Спекание керамического покрытия вызывает его
растрескивание, фрагментирование. На рис. 8 при-
ведена микроструктура поверхности керамического
слоя СП и ГП после 300 ч отжига. Фрагментация
керамического слоя СП имеет более выраженный
характер, средний размер фрагмента составляет
примерно 0,2×0,2 мм, ГП – 0,5×1,0 мм.
Выводы
1. Показано, что долговечность термобарьерных
ГП СДП 3А/AlCr/ZrO2—8 % Y2O3 и СДП
6/AlCr/ZrO2—8 % Y2O3 на жаропрочном сплаве
Рис. 8. Микроструктура керамической поверхности покрытия после отжига при 1100 °С в течение 300 ч: а – СП со связующим
слоем СДП-3А; б – ГП со связующим слоем СДП-3А
35
ЧС88У-ВИ на воздухе при циклическом окслении
по режиму 400 ↔ 1100 °С составляет 900...
...1100 °C одночасовых циклов, что в 1,5...2,0 раза
превышает среднее значение долговечности стан-
дартных ДП СДП 3А/ZrO2—8 % Y2O3.
2. Установлено, что в термобарьерных ГП СДП-
3А/AlCr/ZrO2—8 % Y2O3 и СДП-6/AlCr/ZrO2—
8 % Y2O3, полученных путем испарения компози-
ционного слитка, после термообработки в вакууме
при 1100 °С в течение 1 ч на межфазной границе
металлический жаростойкий связующий слой/ке-
рамика формируется оксидная пленка TGO на осно-
ве Al2O3 толщиной около 1 мкм. Толщина оксидного
слоя в стандартных покрытиях СДП-3А/ZrO2—
8 % Y2O3 составляет около 0,2 мкм.
3. Показано, что после 500 ч изотермического
отжига на воздухе при 1100 °С толщина слоя TGO на
основе α-Al2O3 в термобарьерных ГП СДП-3А/AlCr/
ZrO2—8 % Y2O3 и СДП-6/AlCr/ZrO2—8 % Y2O3
однородна и составляет около 5 мкм, в стандартных
покрытиях слой окалины характеризуется неодно-
родностью при толщине около 10 мкм. На границе
металлический жаростойкий связующий слой/
Al2O3 массовая доля алюминия в СП снижается до
4 %, в ГП сохраняется на исходном уровне (около
12 %), что обеспечивает возможность более дли-
тельной эксплуатации последних.
4. Степень фрагментации поверхностного слоя
керамики в СП ярко выражена. Средний размер фраг-
ментов – 0,2×0,2 по сравнению с 0,5×1,0 мм в ГП.
Авторы выражают искреннюю благодарность
д-ру техн. наук И.С. Малашенко за помощь в об-
суждении полученных результатов.
1. Levi C. G. Emerging materials and processes for thermal
barrier systems // Curr. Opin. Sol. State Mater. Sci. –
2004. – 8. – P. 77—91.
2. Mechanisms controlling the durability of thermal barrier coa-
tings / A. G. Evans, D. R. Mumm, J. W. Hutchinson et
al. // Prog. Mater. Sci. – 2001. – № 46. – P. 505—553.
3. Будиновский С. А., Мубояджан С. А., Гаямов Л. М. Со-
временное состояние и основные тенденции развития вы-
сокотемпературных теплозащитных покрытий для рабо-
чих лопаток турбин авиационных ГТД // Авиац. пром-
сть. – 2008. – № 4 – С. 33—37.
4. Cyclic oxidation behavior of an EB-PVD CoCrAlY coating
influenced by substrate/coating interdiffusion / T. Liang,
H. Guo, H. Peng, S. Gong // Chin. J. Аeronaut. –
2012. – 25. – P. 796—803.
5. Liang T., Guo H., Peng H. Precipitation phases in the nic-
kel-based superalloy DZ125 with YSZ/CoCrAlY thermal
barrier coating // J. Аlloy Сomp. – 2011. – 509. –
P. 8542—8548.
6. Долговечность конденсационных ТЗП на современном жа-
ропрочном никелевом сплаве / И. С. Малашенко,
А. Н. Шелковой, В. В. Грабин и др.// Пробл. спец.
электрометаллургии. – 2000. – № 1. – С. 23—34.
7. Pat. 6.669.989 B2 USA, МПК. C 23 C 16/00. Method for
producing by evaporation a functionally graded coating with
an a outer ceramic layer on a metal substrate / B.A. Mov-
chan, L.M. Nerodenko, Yu.E. Rudoy. – Publ. 30.12.2003.
8. Яковчук К. Ю., Рудой Ю. Э. Одностадийная электронно-
лучевая технология осаждения термобарьерных градиент-
ных покрытий // Современ. электрометаллургия. –
2003. – № 2. – C. 10—16
9. Movchan B. A., Yakovchuk K. Yu. Graded thermal barrier
coatings, deposited by EB-PVD // Surf. Сoat. Тech-
nol. – 2004. – 188—189. – P. 85—92.
10. А. с. 1827397 СССР, МПК С 23 С 14/00, 14/02. Способ
получения жаростойкого композиционного покрытия для
лопаток газовой турбины / А. И. Рыбников, И. С. Мала-
шенко, А. А. Рабинович и др. – Опубл. 07.11.1993,
Бюл. № 26.
11. Schaeffer J.S. The effect of alumina phase transformation of
thermal barrier coating durability // Proc. of TBC Intera-
gency Coordination Committee. – 1997. – P. 99—108.
12. Influence of electron beam physical vapor deposited thermal
barrier coating microstructure on thermal cyclic oxidation
conditions / C. Leyens, V. Schultz, B. A. Pint et al. //
Surf. Сoat. Тechnol. – 1992. – 120—121. – P. 68—76.
13. Influence of high-temperature creep stress on growth of
thermally grown oxide in thermal barrier coatings / D. Seo,
K. Ogawa, Y. Nakao et al. // Surf. Сoat. Тechnol. –
2009. – 203. – P. 1979—1983.
Carried out was the comparative analysis of structure and properties of condensation thermal barrier coatings produced
using electron beam method by tradition multi-stage technology and also gradient coatings deposited according to the
single-stage technology. It is shown that thermal cyclic life in the air at 400 ↔ 1100 °C of gradient thermal barrier
coatings SDP-3A/AlCr/ZrO2—8 % Y2O3 and SDP-6/AlCr/ZrO2—8 % Y2O3 on the heat-resistant alloy ChS88U-VI
amounts to 900...1100 one hour cycles, which 1.5...2.0 times exceeds the mean value of life of standard two-layer coatings
SDP-3A AlCr/ZrO2—8 % Y2O3. It is established that thickness of layer of scale on the base of Al2O3 after 500 h of
isothermal annealing in the air at 1100 °C in gradient thermal barrier coatings SDP-3A/AlCr/ZrO2—8 % Y2O3 and
SDP-6/AlCr/ZrO2—8 % Y2O3 is homogeneous and amounts to about 5 μm, while in standard coatings it is characterized
by heterogeneity at the thickness of about 10 μm. The width of the zone depleted by aluminium in the bond layer does
not exceed 5 μm. In the standard coatings the layer of scale is characterized by heterogeneity at the thickness of 10 μm;
the width of depleted zone is about 15...20 μm. Ref. 13, Tables 2, Figures 8.
K e y w o r d s : electron beam evaporation and condensation in vacuum; gradient thermal barrier coatings; nickel
heat-resistant alloy ChS-88; heat-resistant metal bond layer Co(Ni)CrAlY; thermally grown oxide α-Al
2
O
3
; external
ceramic layer ZrO
2
—8 % Y
2
O
3
; thermal cyclic and isothermal tests; elements diffusion; life of coating
Поступила 21.10.2013
36
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96812 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7681 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:13:39Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Яковчук, К.Ю. Рудой, Ю.Э. Нероденко, Л.М. Микитчик, А.В. Акрымов, В.А. 2016-03-20T19:21:05Z 2016-03-20T19:21:05Z 2014 Исследование функциональных возможностей конденсированных градиентных термобарьерных покрытий / К.Ю. Яковчук, Ю.Э. Рудой, Л.М. Нероденко, А.В. Микитчик, В.А. Акрымов // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 1 (114). — С. 28-36. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96812 669.187.526.001.5 Проведен сравнительный анализ структуры и свойств конденсационных термобарьерных покрытий, полученных электронно-лучевым способом по традиционной многоступенчатой технологии, а также градиентных покрытий, осажденных по одностадийной технологии. Показано, что термоциклическая долговечность на воздухе при 400 Л Л1100 °С градиентных термобарьерных покрытий СДП-3А/AlCr/ZrO₂Д8 % Y₂O₃ и СДП-6/AlCr/ZrO₂-8 % Y₂O₃ на жаропрочном сплаве ЧС88У-ВИ составляет 900...1100 одночасовых циклов, что в 1,5-2,0 раза превышает среднее значение долговечности стандартных двухслойных покрытий СДП-3А/ZrO₂Д8 % Y₂O₃. Установлено, что толщина слоя окалины на основе Al2O₃ после 500 ч изотермического отжига на воздухе при 1100 °С в градиентных термобарьерных покрытиях СДП-3А/AlCr/ZrO₂Д8 % Y₂O₃ и СДП-6/AlCr/ZrO₂Д8 % Y₂O₃ однородна и составляет около 5 мкм, в стандартных покрытиях характеризуется неоднородностью при толщине около 10 мкм. Ширина обедненной алюминием зоны в связующем слое не превышает 5 мкм. В стандартных покрытиях слой окалины характеризуется неоднородностью при толщине 10 мкм; ширине обедненной зоны примерно 15...20 мкм. Carried out was the comparative analysis of structure and properties of condensation thermal barrier coatings produced using electron beam method by tradition multi-stage technology and also gradient coatings deposited according to the single-stage technology. It is shown that thermal cyclic life in the air at 400 ↔ 1100 °C of gradient thermal barrier coatings SDP-3A/AlCr/ZrO₂—8 % Y₂O₃ and SDP-6/AlCr/ZrO₂—8 % Y₂O₃ on the heat-resistant alloy ChS88U-VI amounts to 900...1100 one hour cycles, which 1.5...2.0 times exceeds the mean value of life of standard two-layer coatings SDP-3A AlCr/ZrO₂—8 % Y₂O₃. It is established that thickness of layer of scale on the base of Al2O₃ after 500 h of isothermal annealing in the air at 1100 °C in gradient thermal barrier coatings SDP-3A/AlCr/ZrO₂—8 % Y₂O₃ and SDP-6/AlCr/ZrO₂—8 % Y₂O₃ is homogeneous and amounts to about 5 μm, while in standard coatings it is characterized by heterogeneity at the thickness of about 10 μm. The width of the zone depleted by aluminium in the bond layer does not exceed 5 μm. In the standard coatings the layer of scale is characterized by heterogeneity at the thickness of 10 μm; the width of depleted zone is about 15...20 μm. Авторы выражают искреннюю благодарность д-ру техн. наук И.С. Малашенко за помощь в обсуждении полученных результатов. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Электронно-лучевые процессы Исследование функциональных возможностей конденсированных градиентных термобарьерных покрытий Investigation of functional capabilities of condensed gradient thermal barrier coatings Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование функциональных возможностей конденсированных градиентных термобарьерных покрытий Яковчук, К.Ю. Рудой, Ю.Э. Нероденко, Л.М. Микитчик, А.В. Акрымов, В.А. Электронно-лучевые процессы |
| title | Исследование функциональных возможностей конденсированных градиентных термобарьерных покрытий |
| title_alt | Investigation of functional capabilities of condensed gradient thermal barrier coatings |
| title_full | Исследование функциональных возможностей конденсированных градиентных термобарьерных покрытий |
| title_fullStr | Исследование функциональных возможностей конденсированных градиентных термобарьерных покрытий |
| title_full_unstemmed | Исследование функциональных возможностей конденсированных градиентных термобарьерных покрытий |
| title_short | Исследование функциональных возможностей конденсированных градиентных термобарьерных покрытий |
| title_sort | исследование функциональных возможностей конденсированных градиентных термобарьерных покрытий |
| topic | Электронно-лучевые процессы |
| topic_facet | Электронно-лучевые процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96812 |
| work_keys_str_mv | AT âkovčukkû issledovaniefunkcionalʹnyhvozmožnosteikondensirovannyhgradientnyhtermobarʹernyhpokrytii AT rudoiûé issledovaniefunkcionalʹnyhvozmožnosteikondensirovannyhgradientnyhtermobarʹernyhpokrytii AT nerodenkolm issledovaniefunkcionalʹnyhvozmožnosteikondensirovannyhgradientnyhtermobarʹernyhpokrytii AT mikitčikav issledovaniefunkcionalʹnyhvozmožnosteikondensirovannyhgradientnyhtermobarʹernyhpokrytii AT akrymovva issledovaniefunkcionalʹnyhvozmožnosteikondensirovannyhgradientnyhtermobarʹernyhpokrytii AT âkovčukkû investigationoffunctionalcapabilitiesofcondensedgradientthermalbarriercoatings AT rudoiûé investigationoffunctionalcapabilitiesofcondensedgradientthermalbarriercoatings AT nerodenkolm investigationoffunctionalcapabilitiesofcondensedgradientthermalbarriercoatings AT mikitčikav investigationoffunctionalcapabilitiesofcondensedgradientthermalbarriercoatings AT akrymovva investigationoffunctionalcapabilitiesofcondensedgradientthermalbarriercoatings |