Electrometallurgy Today, 2011, №01



2011 №01 (03)

2011 №01 (05)

---

Современная электрометаллургия, 2011, № 1, с. 22-29
 

ВЛИЯНИЕ КРИВИЗНЫ ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ТЕРМОБАРЬЕРНЫХ, КОНДЕНСАЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ

К. Ю. Яковчук², Ю. Э. Рудой¹, Л. М. Нероденко¹,Е. В. Оноприенко², А. О. Ахтырский²

¹Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины. E-mail: office@paton.kiev.ua
²ГП «МЦ электронно-лучевых технологий ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины», Киев

Реферат
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.
 
Ключевые слова: электронно-лучевое осаждение; градиентные термобарьерные покрытия; лопатки газових турбин; микроструктура покрытий; внешний керамический слой; частично стабилизированный диоксид циркония; термоциклическая долговечность

Поступила 04.10.2010
Опубликовано 28.02.2011

1. Mechanisms controlling the durability of thermal barrier coatings / 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 рабочих 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. Technol. – 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. Композиционный слиток для получения путем испарения функционального градиентного покрытия с внешним керамическим 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. Technol. – 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 Review of Materials Science. – 1977. – Vol. 7. – P. 239—260.
11. Новосад Л. Ю., Гречанюк Н. И., Мовчан Б. А. исследование структуры и свойств толстых вакуумных конденсатов ZrO₂ и ZrO₂—Y₂O₃ // Пробл. спец. электрометаллургии. – 1986. – № 2. – С. 27—33.
12. Schulz U., Terry S. G., Levi C. G. Microstructure and texture 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 obliquely deposited by EB-PVD / K. Wada, M. Yoshiya, N. Yamaguchi, H. Matsubara // Surface & Coating Technology. – 2006. – № 200. – P. 2725—2730.
14. Nissley D. M. Thermal barrier coating life modeling in aircraft gas turbine engines // J. of Thermal Spray Technology. – 1997. – 6, № 1. – P. 91—98.
15. Результаты промышленной эксплуатации рабочих лопаток турбины энергетической установки ГТ-100 с конденсационными 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 protective coatings, deposited by EB-PVD // Materials science 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.