Введение

    Рабочие лопатки газотурбинных двигателей (ГТД) подвергаются воздействию интенсивных тепловых и механических нагрузок в условиях высокотемпературного коррозионного разрушения поверхности агрессивной внешней средой [1–4]. В то же время необходимость повышения эффективности ГТД различного назначения требует увеличения рабочей температуры, которая ограничена температурой плавления жаропрочных сплавов на основе никеля. Наиболее эффективным средством защиты рабочих лопаток ГТД являются теплозащитные покрытия (ТЗП), поскольку их применение позволяет значительно (на 100°С и более) снизить рабочую температуру пера лопатки, либо поднять температуру рабочего газа перед турбиной [5–8]. Схема ТЗП представлена на рис. 1.

 Рис. 1. Теплозащитное покрытие (ТЗП), нанесенное на рабочую лопатку турбины высокого давления ГТД

    В настоящее время проводится поиск новых материалов для керамического слоя (КС), способных заменить систему ZrO₂–8%Y₂O₃ (YSZ) [9]. В статье рассмотрены преимущества и недостатки данной системы, даны описание и характеристики предлагаемых в отечественных и зарубежных источниках новых материалов для керамического слоя. Стоит отметить, что для достижения наилучших показателей системы ТЗП проводится поиск новых составов для жаростойкого соединительного слоя [10–15], а также разработка новых способов нанесения ТЗП и совершенствование существующих, однако в данной статье эти вопросы не рассматриваются.

Материалы и методы

Покрытие YSZ: структура, преимущества, недостатки

    Покрытие YSZ обладает комплексом свойств, благодаря которым в настоящее время этот материал является наилучшим для нанесения керамического слоя ТЗП. Покрытие имеет один из самых низких из всех керамических материалов коэффициент удельной теплопроводности при повышенной температуре (≤2,3 Вт/(м·К) при 1000°C для плавленого материала) вследствие высокой концентрации точечных дефектов – вакансии кислорода и замещенных атомов растворенного вещества. Покрытие YSZ также имеет относительно высокий температурный коэффициент линейного расширения 11·10^-6 К^-1, что способствует снижению напряжений, являющихся результатом рассогласования термического расширения между керамическим покрытием и металлом лопатки. Максимальная рабочая температура поверхности с покрытием YSZ при эксплуатации не должна длительно превышать 1200°С – для предотвращения спекания керамики, которое ведет к увеличению коэффициента удельной  теплопроводности [16].

    Необходимо отметить, что для достижения теплозащитного эффекта в 100°С необходимо нанести слой керамики YSZ ~150 мкм, при этом весовые характеристики рабочих лопаток ТВД повышаются (~1 кг на каждый м² трактовой поверхности лопатки). Снижения массы лопаток с ТЗП и увеличения проходного сечения газовоздушного тракта двигателя по сечению турбины можно достичь путем уменьшения толщины керамического слоя ТЗП, что возможно только путем снижения коэффициента теплопроводности керамического слоя [17].

Новые керамические материалы

    В качестве перспективных материалов для керамического слоя ТЗП рассматриваются керамики на основе цирконатов РЗМ типа Me₂Zr₂O₇ (где Ме – Gd, Nd, Sm, La, Ce), имеющие теплопроводность ~1–1,5 Вт/(м·К), несклонные к спеканию при рабочих температурах до 1300–1400°С [18]. В США разработаны теплозащитные покрытия с внешним керамическим слоем для работы при температуре 1100°С. Наилучшие характеристики получены у покрытия состава La(Nd)₄Zr(Hf)₃O₁₂, разработанного фирмой General Electric Comp. (теплопроводность 1,0–1,2 Вт/(м·К) при ресурсе работы >1000 ч) [19], а также у покрытия системы ZrO₂–Y₂O₃–Nd₂O₃, разработанного фирмой Chromalloy (теплопроводность 0,6–1,0 Вт/(м·К) при температурах 600–1000°С) [20]. Агентством NASA (США) предложено использовать для КС ТЗП материалы системы (ZrO₂–Y₂O₃)–Nd₂O₃(Gd₂O₃,Sm₂O₃)–Yb₂O₃(Sc₂O₃), имеющие при температурах до 1300°С теплопроводность 1 Вт/(м·К), которая  слабо зависит от продолжительности высокотемпературной выдержки. Высокие свойства такой керамики авторы связывают с образованием в структуре КС наноразмерных кластеров оксидов Nd₂O₃–Yb₂O₃ или Gd₂O₃–Yb₂O₃ [21].

Результаты

    Для получения керамических слоев низкой теплопроводности в ВИАМ разработаны технология и оборудование для магнетронного среднечастотного распыления мишеней на основе сплавов циркония с редкоземельными металлами с последующим плазмохимическим осаждением керамики в среде аргонокислородной плазмы [22, 23]. Магнетронный процесс обеспечивает преимущества по сравнению с электронно-лучевым методом нанесения ТЗП [24], среди которых можно отметить снижение энергопотребления до 20 раз и уменьшение массы и габаритных размеров установки более чем в 5 раз.

    По данной технологии нанесены и испытаны при 1400°С керамические слои различных составов. Испытания проводили при 1400°С в течение 100 ч в высокотемпературной вакуумной печи с нагревателями из вольфрама. Образцы с керамическим покрытием размещали в камере печи на поддоне и проводили откачку воздуха до остаточного давления не более 0,01 Па, затем – ступенчатый нагрев до 1400°С и выдержку при этой температуре. Исследования структуры полученных керамических слоев в исходном состоянии и после высокотемпературных испытаний представлены на рис. 2.

   По результатам исследования установлено, что таким образом возможно получить столбчатую структуру КС покрытия, схожую со структурой, полученной методом электронно-лучевого нанесения (EB-PVD), которая позволяет снизить коэффициент теплопроводности и повысить термостойкость покрытия.

     Проведено также определение коэффициента теплопроводности данных составов, результаты которого представлены на рис. 3.

    Таким образом, можно сделать вывод, что методом магнетронного среднечастотного распыления можно получать керамические слои с коэффициентом теплопроводности ~1,2–1,5 Вт/(м·К).

Заключение

   Для снижения коэффициента теплопроводности до значений 1,1–1,5 Вт/(м·К), увеличения рабочей температуры до 1300–1400°C и, соответственно, ресурса работы лопаток авиационных турбин и температуры рабочего газа перед турбиной необходимо совершенствование состава керамического слоя YSZ теплозащитного покрытия, путем введения одного и более редкоземельных элементов в композицию материала покрытия.

Рис. 2. Микроструктура (´1000) керамического слоя систем Zr–Y–Gd–Hf (а),
Zr–Y–Nd–Hf (б), Zr–Y–Gd (в) и многослойного Zr–Y–Gd+Zr–Y–Hf (г) в исходном состоянии (I) и после высокотемпературных испытаний при 1400°С в течение 100 ч (II)

Рис. 3. Зависимость коэффициента теплопроводности (λ) керамических слоев

теплозащитного покрытия различного состава от температуры:

● – Zr–Y–Gd+Zr–Y–Hf; ▲ – Zr–Y–Gd; ♦ – Zr–Y–Gd–Hf; ■ – Zr–Y–Nd–Hf

    Технология, разработанная в ВИАМ, позволяет получать столбчатую структуру керамических слоев ТЗП, схожую со структурой, полученной электронно-лучевым методом, которая является оптимальной в связи с тем, что она позволяет снизить коэффициент теплопроводности и повысить термостойкость керамики.

    Разработанные керамические слои будут применяться для исследования комплексных ТЗП с целью их применения в перспективных двигателях военной и гражданской авиации.