Результат интеллектуальной деятельности: Теплозащитное покрытие

Настоящее изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к теплозащитным покрытиям (ТЗП) для деталей, подверженных воздействию высокотемпературных газовых потоков, выполненных, в том числе из двухслойных паяных конструкций.

В настоящее время при создании перспективных энергетических установок с повышенными рабочими характеристиками (давление и температура) рассматриваются возможности более эффективных способов защиты деталей, подверженных воздействию газовой среды, высоких тепловых потоков более 150*10⁶ Вт/м², идущих от высокотемпературных продуктов сгорания.

Из публикации (см. а.с. SU №1767926, 1994 г. ) известно теплозащитное покрытие (ТЗП), содержащее рабочий слой из оксида циркония, подслой из сплава на основе никеля и промежуточные слои системы металл - оксид циркония, при этом рабочий слой дополнительно содержит нитрид бора и/или графит, а оксид циркония стабилизирован 5-10 масс. % оксида иттрия.

Недостатком данного технического решения является то, что порошковый материал, применяемый для получения данного теплозащитного покрытия, является механической смесью порошков, в которой частицы оксида циркония и нитрида бора не связаны друг с другом, т.е. не скомпактированы в гранулы. В связи с этим в процессе напыления такого порошкового материала может происходить его расслоение на составляющие компоненты, что приведет к ухудшению рабочих характеристик покрытия.

Известен также композиционный материал для высокотемпературного теплозащитного покрытия (см. патент RU №2303649, 2007 г.), включающий нитрид бора и стабилизированный оксид циркония. При этом композиционный материал содержит также волокно нихрома длиной 3-5 мм, а стабилизированный оксид циркония содержится в двух фракциях - оксид циркония, стабилизированный 7% оксидом иттрия, фракции 100-250 мкм и стабилизированный оксид циркония пылевидной фракции.

Недостатком данного технического решения является то, что получаемое из указанного материала покрытие имеет низкую адгезию с поверхностью основы и невысокую рабочую температуру на воздухе (до 1000°С) из-за окисления при этой температуре волокон нихрома. Помимо этого, повышается трудоемкость получения исходного состава порошкового материала и теплозащитного покрытия из него, поскольку данный способ требует применения дополнительного специального оборудования (вакуумные печи, термофиксаторы), особенно при нанесении на крупноразмерные конструкции сложной формы.

Из публикации (см. патент RU №2499078, 2012 г.) известно многослойное ТЗП, наносимое на огневую стенку корпуса камеры сгорания. Описанное в этой публикации ТЗП состоит из подслоя нихрома и слоя керметной композиции, содержащей смесь оксида гафния и плакированного никелем вольфрама, и дополнительного слоя оксида гафния, стабилизированного оксидом иттрия.

Недостатком такого ТЗП является то, что наличие плакированного никелем вольфрама в одном из слоев ТЗП, близком к наружной поверхности покрытия, может приводить к плавлению, интенсивному окислению и растрескиванию слоя в составе газовой среды в камере сгорания ЖРД.

Из технического решения, защищенного патентом RU №2283363 (2006 г.), известно другое теплозащитное покрытие, наносимое на огневую стенку корпуса камеры. Такое ТЗП состоит из двух слоев, один из которых представляет собой металлический слой, например, из нихрома, а другой - керамический слой из оксида циркония. В качестве стабилизирующей добавки оксида циркония используют оксид кальция.

Недостатком такого ТЗП является то, что наличие в качестве стабилизирующей добавки оксида кальция приводит к уменьшению рабочей температуры ТЗП и не позволяет защищать стенку корпуса от высокотемпературных тепловых потоков.

Из публикации (патент RU №2586376, 2016 г.) известно высокотемпературное теплозащитное покрытие, содержащее подслой из сплава на основе никеля и рабочий слой на основе оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, при этом согласно изобретению, рабочий слой дополнительно содержит никель, которым плакирован стабилизированный оксид циркония. Но наличие в рабочем слое ТЗП никеля ведет к уменьшению работоспособности покрытия при температурах выше 2000°С.

Задачей настоящего изобретения является создание ТЗП, обеспечивающего эффективную защиту деталей, в том числе выполненных из двухслойных паяных конструкций, от воздействия высокотемпературного газового потока.

Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в увеличении рабочей температуры на внешней поверхности ТЗП при воздействии на защищаемую поверхность детали высокотемпературного газового потока.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что на защищаемую поверхность детали, подверженную воздействию высокотемпературного газового потока, наносится ТЗП, состоящее из подслоя и рабочего слоя.

Рабочий слой содержит слой оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, и нанесенный на него слой оксида гафния, стабилизированного оксидом иттрия. При этом подслой и слои оксидов циркония и гафния выполнены наноструктурированными.

При этом подслой ТЗП может быть выполнен из никеля или сплава никеля.

На фигуре представлено сечение детали с ТЗП. В качестве защищаемой от воздействия высоких температур детали взята двухслойная паяная конструкция.

Как показано на фигуре, двухслойная паяная конструкция состоит из наружной силовой оболочки 1, внутренней стенки 2, подверженной воздействию высокотемпературных газовых потоков, которые соединены между собой пайкой. Между наружной силовой оболочкой 1 и стенкой 2 расположен тракт регенеративного охлаждения 3. На стенку 2 по всей ее длине нанесено многослойное теплозащитное покрытие, состоящее из трех разных слоев: 4 - металлический подслой, в том числе из никеля или сплава на основе никеля, 5 - слой оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, 6 - слой оксида гафния, стабилизированного оксидом иттрия.

Подслой 4 является переходным между защищаемой деталью и керамическим слоем с низкой теплопроводностью и служит для компенсации внутренних напряжений, возникающих из-за разницы коэффициентов теплового расширения керамического слоя покрытия и материала защищаемой детали.

Кроме того, подслой обеспечивает дополнительную защиту от окисления материала детали, поскольку в условиях высокой температуры кислород из окружающей среды (воздух, продукты сгорания топлива) может проникать к поверхности защищаемой детали.

Наноструктурированный слой оксида циркония 5, стабилизированного оксидом иттрия, служит в качестве теплозащитного слоя. Этот слой обладает низкой теплопроводностью, химической стойкостью и имеет высокую температуру плавления, а также достаточно высокую пористость (~15%), что позволяет уменьшить тепловой поток, достигающий поверхности защищаемого материала.

Нанесенный на оксид циркония наноструктурированный слой из оксида гафния, стабилизированного оксидом иттрия, обладает более низкой теплопроводностью, более высокими температурами плавления и фазовых переходов, чем слой оксида циркония, что позволяет повысить температуру на внешней границе ТЗП до ~2600°С, увеличить термическое сопротивление и трещиностойкость покрытия.

ТЗП, согласно изобретению, обладает эффективной теплопроводностью менее 1,5 Вт/м⋅К и высокой стойкостью к температурам до 2600°С.

Применение предлагаемого в изобретении ТЗП позволит защитить огневую стенку камеры сгорания из сплава БрХ08 путем его нанесения вакуумным методом плазменно-кластерного напыления. Наноструктурирование напыляемого материала в этом случае происходит в процессе нанесения слоев ТЗП за счет конденсации паровой фазы напыляемого вещества в сопле плазмотрона с последующим образованием наночастиц. Толщина многослойного наноструктурированного ТЗП составляет более 100 мкм.

Для проверки рабочих характеристик предложенного ТЗП из БрХ08 были изготовлены образцы диаметром 30 мм с нанесенным на них плазменно-кластерным методом ТЗП, содержащим подслой никеля - 25÷30 мкм, слой оксида циркония - 70÷75 мкм и слой оксида гафния - 10÷15 мкм. Все слои были наноструктурированы в процессе нанесения. Образцы прошли термоциклические испытания на установке для проведения испытаний покрытий, созданной в Центре Келдыша. В процессе испытаний образцы с ТЗП находились под воздействием со стороны ТЗП потока плазмы со среднемассовой температурой ~ 4400 К, которая моделирует высокотемпературный поток газа. С обратной стороны образец охлаждается водой, температура которой на входе и выходе из установки измеряется. Во время испытаний образцы выдержали 13 циклов по 30 секунд каждый. Разрушения покрытий не произошло. Проведенные оценки температуры на внешней границе ТЗП показали, что она находилась в диапазоне 2350÷2500°С. Исследование ТЗП после испытаний проводили на растровом электронном микроскопе. Исследования показали, что ТЗП сохранили свою структуру и работоспособность.