Термобарьерные покрытия

Инжиниринг в применении термобарьерных и жаростойких покрытий ТБП Thermal barrier coatings TBC для защиты от деградации металлов и высокотемпературной коррозии.

Жаростойкие и термобарьерные покрытия успешно применяются для защиты от деградации сплавов при высоких температурах, от высокотемпературной коррозии, для создания термобарьерных слоев.

Механизмы деградации сплавов при высоких температурах

Многие промышленные процессы протекают в агрессивной среде и при высоких температурах, высоком давлении, больших нагрузках на отдельные компоненты в присутствии окислительной и коррозионной атмосферы. Так, температура газового потока в современном газотурбинном двигателе достигает 1650ºС в секции турбины высокого давления, температура охлаждаемых компонентов достигает 1200ºС. Высокие температуры рабочих процессов также характерны для нефтепереработки и атомной энергетики, паровых и энергетических турбин, переработки угля. Все эти процессы требуют материалов, обладающих устойчивостью к воздействию высокой температуры в условиях нагрузки. В ходе эксплуатации структурные материалы отдельных компонентов деградируют. В дополнение к усталостным повреждениям материалы подвергаются окислению, коррозионному воздействию.

Высокотемпературная коррозия

В высокотемпературных процессах материалы подвергаются воздействию не только кислорода, а также других составляющих агрессивных сред в форме газов CO2 и SO2, расплавленных солей щелочных и щёлочноземельных сульфатов, хлоридов и твёрдых частиц в форме песка или сажи. Некоторые из этих составляющих являются отходами технологических процессов, другие поступают из внешней среды. Воздействие агрессивных факторов на материал покрытия приводит к коррозии и эрозии, которые в свою очередь, приводят к уничтожению защитной оксидной плёнки. Коррозия материалов, вызванная расплавленными солями в окислительном газовом потоке при высоких температурах, определена как высокотемпературная коррозия. Это результат ускоренного окисления при температурах от 700ºС до 925ºС, когда сплав покрывается плёнкой загрязняющих солей. В парообразном состоянии соли не агрессивны. Температурный диапазон, в котором происходит высокотемпературная коррозия, сильно зависит от химии солей и газов, а также от состава сплава покрытия. Суммарное воздействие среды приводит к образованию твёрдых и расплавленных солей, оказывающих основное коррозионное воздействие.

Покрытия, устойчивые к высокотемпературной коррозии и окислению

Мехнизм функционирования защитных покрытий состоит в формировании на поверхности покрытия защитной оксидной плёнки, которая ограничивает доступ кислорода и коррозионно-активных солей. Ниже представлены требования к таким покрытиям:

  • Покрытие должно формировать термодинамически стабильную защитную фазу на поверхности реагируя с внешней средой. «Классические» защитные фазы – Al2O3, Cr2O3 и SiO2 , а также некоторые шпинели;
  • Низкая скорость роста защитной плёнки;
  • Взаимная диффузия между покрытием и подложкой должна происходить с минимально возможной скоростью, что подразумевает введение диффузионного барьера или использование подложки, в которую диффузия элементов покрытия происходит с минимальной скоростью;
  • Адгезия защитной плёнки;
  • Высокая концентрация элемента, формирующего защитную плёнку;
  • Никаких нежелательных фазовых превращений в покрытии;
  • Значения коэффициентов термического расширения покрытия, защитной окалины и подложки должны иметь значения близкие друг другу;
  • Минимальное формирование хрупких фаз;
  • Хорошая адгезия покрытия к подложке;
  • Согласованные свойства покрытия и подложки для снижения температурных нагрузок;
  • Оптимизация качества поверхности (гладкая или шероховатая).

Способность покрытия защищать от агрессивных сред и высокой температуры определяется его химической композицией, микроструктурой и методом нанесения.

Материалы жаростойких покрытий

Главным способом защиты жаропрочных сплавов от окисления в шестидесятые годы ХХ века было диффузионное алитирование. До сих пор диффузионное алитирование применяется для защиты внутренних поверхностей лопаток турбины газоциркуляционным способом. Однако защита внешних поверхностей лопаток алитированием явно недостаточна, так как из-за снижения усталостной прочности эффективная толщина алитированного слоя не превышает 40-60 мкм.

MеCrAlY и диффузионные алюминидные покрытия и их связь с устойчивостью к окислению и высокотемпературной коррозией.Плазменные покрытия обладают большей податливостью, чем диффузионные покрытия. Они не оказывают влияния на распространение трещин из покрытия в подложку и поэтому могут иметь большие толщины (150-250 мкм), а значит, и больший запас алюминия.

Одним из наиболее жаростойких материалов является алюминид никеля NiAl, имеющий широкую область гомогенности.

MeCrAlY. Для защиты лопаток турбин от горячей коррозии одной жаростойкости покрытия оказалось недостаточно. Коррозионно-активные элементы, попадающие в горячую зону двигателя из топлива, вызывают сульфидную, натриевую, ванадиевую и др. виды коррозии, главнейшей из которых является сульфидно-оксидная коррозия. Это вызвало разработку защитных покрытий в системе MеСrAlY, где Ме = Ni, Co, Fe. Первым коммерческим сплав системы MeCrAlY стал FeCrAlY на основе железа, полученный и запатентованный Pratt и Whitney в конце 1960-ых. Вскоре после этого, они также запатентовали CoCrAlY и NiCoCrAlY. Композиция системы выбрана, чтобы получить хороший баланс между устойчивостью против окисления, коррозионной стойкостью и пластичностью покрытия, добавление активных элементов увеличивает адгезию защитной плёнки и уменьшает скорость окисления. Покрытия NiCrAlY в целом более устойчивы против окисления, а CoCrAlY обеспечивают лучшую стойкость к высокотемпературной коррозии.

Покрытия MeCrAlY первоначально наносились электронно-лучевым методом (EB-PVD) и методами плазменного напыления в вакууме или при пониженном давлении. Из-за высокой стоимости покрытий полученных перечисленными методами, в современном турбостроении все более широко используется метод высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF).

Термобарьерные (теплозащитные) покрытия

Термобарьерные, они же теплозащитные покрытия (ТБП) – класс систем покрытий, чья функция заключается в уменьшении температуры каких-либо компонентов с целью увеличения их сроков эксплуатации и предотвращения деградации основного материала. Система ТБП состоит из четырёх компонентов, каждый имеет заметно отличающиеся физические, термические и механические свойства, создавая комплексную структуру в отличии от индивидуальных свойств каждого компонента. Изделие с ТБП должно выдержать очень высокую температуру, её цикличное изменение, и напряжения, вызванные изменением температуры и условиями эксплуатации. Комбинация мультиматериальной структуры TБП и требуемых эксплуатационных условий делает его наиболее сложным, по сравнению с другими известными системами покрытий.

Четыре компонента современной системы ТБП сделаны из различных материалов со специфическими свойствами и функциями. Это:

● основной сплав (подложка);

● подслой;

● термически выращенный оксид (ТВО), термин, принятый для обозначения защитной оксидной плёнки, образующейся на жаростойком подслое;

● керамическое поверхностное покрытие.

Основной сплав - суперсплав на основе никеля или кобальта, который принудительно охлаждается, устанавливая температурный градиент поперёк стенки изделия. Изделие из суперсплава в монокристаллических или поликристаллических формах содержит от 5 до 12 дополнительных элементов, которые добавлены для повышения жаростойкости, пластичности, стойкости против окисления и высокотемпературной коррозии, а также для улучшения литейных свойств. При высоких рабочих температурах может произойти диффузия элементов (при их высокой относительной концентрации) между суперсплавом и подслоем. Диффундирующие элементы также могут иногда находиться в ТВО и поверхностном керамическом покрытии. Подобная взаимная диффузия может привести к отслаиванию ТЗП, что вынуждает рассматривать суперсплавы с ТЗП как инженерную систему, свойства которой изменяются со временем и циклами в течение срока эксплуатации.

Подслой - устойчивое против окисления жаростойкое металлическое покрытие с толщиной 75 - 150 мкм, и оно по существу определяет возможность отслаивания ТЗП. Подслой обычно наносят из NiCrAlY, или NiCoCrAlY (эти покрытия описаны в разделе жаростойкие покрытия). Второй вариант из существующих типов подслоя основан на алюминидах Ni и Pt и наносится гальваническим диффузионным алюминированием или химическим осаждением из паров. Иногда подслой может состоять из двух и более слоев, имеющих различный химический/фазовый состав.

При пиковых эксплуатационных условиях температура подслоя обычно превышает 700ºC, приводя к его окислению и неизбежному формированию третьего слоя - термически выращенного оксида (ТВО); расположенного между подслоем и поверхностным керамическим покрытием, имеющего толщину 1 - 15 мкм. Связанная пористость, которая всегда существует в поверхностном керамическом покрытии, способствует лёгкому доступу кислорода из окружающей среды к подслою. Кроме того, даже если поверхностное покрытие полностью плотное, чрезвычайно высокая анионная проводимость в керамическом поверхностном покрытии делает его «прозрачным» для кислорода.

Хотя формирование ТВО неизбежно, идеальный подслой проектируется, чтобы гарантировать, что TВО формируется как α-Al2O3 и его рост медленный, однородный, и бездефектный. Такой TВО имеет очень низкую ионную диффузионную способность для кислорода и создаёт превосходный диффузионный барьер, замедляя дальнейшее окисление подслоя. В целом, внутренняя диффузия кислорода через TВО управляет дальнейшим ростом TВО на подслое, но в некоторых случаях ростом TВО управляет диффузия Al, направленная наружу, приводя к формированию нового TВО на поверхности раздела TВО/верхний керамический слой или на границах зерна α-Al2O3 в пределах TGO. Наконец, композиция подслоя разрабатывается, чтобы получить TВО с высокой адгезией.

Керамическое покрытие обеспечивает термоизоляцию поверхности и обычно состоит из керамики с минимальным коэффициентом теплопроводности. Большая разность в термомеханических свойствах металлов и керамики препятствует их использованию в сложных структурах, подвергаемых огромным изменениям в температуре и теплонапряженности. Тем не менее, термобарьерные покрытия (TБП), сделанные из керамики с низкой теплопроводностью используются как теплоизоляция металлических изделий от горячего газового потока. Использование TБП (с толщиной 100-500 мкм), наряду с внутренним охлаждением основного изделия из суперсплава даёт понижение температуры на поверхности суперсплава от 100ºС до 300ºC. Понижение температуры металла возможно, если TБП используются в комплексе с внешним плёночным и внутренним воздушным охлаждением. При плёночном охлаждении защитный поток охлаждающего воздуха выпускается на внешнюю поверхность компонента, проходя по внутренним аэродинамическим поверхностям через отверстия или щелевые отверстия в поверхности компонента. Это позволяет современным газотурбинным двигателям функционировать при температурах много больше температуры плавления суперсплава, увеличивая КПД и улучшая рабочие характеристики. При более низких рабочих температурах, TБП уменьшает температуру металла, увеличивая ресурс изделия. TБП также используются в дизельных двигателях, где достижение более высоких рабочих температур приводит к экономии топлива и более чистому выхлопу.

Мы выполняем опытные работы по подбору жаростойких и термобарьерных покрытий, поставляем оборудование для плазменного напыления керамических покрытий под ключ, ставим технологии нанесения и обработки покрытий из оксидной керамики. 

Заказать

Разработка сайта - Пять Пика Ру