Анотація до роботи:

Рудой Ю.Е. “Розробка градієнтних теплозахисних покриттів та електронно-променевої технології їх осадження на лопатки газових турбін”.

Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.07 «Металургія високочистих металів і спеціальних сплавів». Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ 2005.

Визначено умови осадження на підкладці теплозахисного покриття із градієнтом хімічного складу й структури по товщині із зовнішнім керамічним шаром шляхом електронно-променевого випару суміші металів (сплавів) і оксидів з різним тиском пари при температурі випару у вигляді спресованої таблетки, розташованої на торці керамічного злитка з диоксиду цирконію.

Представлено результати дослідження структури й властивостей градієнтних теплозахисних покриттів метал-кераміка з перехідною зоною на базі систем Al-ZrO₂(Y₂O₃), Al-Pt-ZrO₂(Y₂O₃) і Al-Y-ZrO₂(Y₂O₃), отриманих одностадійним процесом нанесення. Оптимізація хімічного складу таблетки, що випаровують, дозволяє отримувати градієнтне теплозахисне покриття з високою термоциклічною довговічністю на повітрі.

Розглянуто механізм формування градієнтних структур, яки отримують шляхом електронно-променевого випару композиційного керамічного злитка на основі диоксиду цирконію на підкладках з жароміцних сплавів. Представлено результати досліджень структури й властивостей рекомендованих градієнтних теплозахисних покриттів NiCoCrAlY+AlCr/ZrO₂(7Y₂O₃) і Me_xC_y+NiAl/ZrO₂(7Y₂O₃), які осаджують із парової фази по одностадійній електронно-променевій технології на лопатки газових турбін.

1. На підставі проведених досліджень доведена можливість осадження на жароміцних сплавах градієнтних теплозахисних покриттів з металевим або металокерамічним сполучним шаром і зовнішнім керамічним шаром за один технологічний цикл шляхом електронно-променевого випару з одного джерела сполучень металевих і неметалічних компонентів з різним тиском пари при температурі випару, виготовлених у вигляді металокерамічних таблеток або композиційних злитків.

2. Показано, що конденсація алюмінію при випарі металокерамічних таблеток складу Al-ZrO₂(Y₂O₃), Al-Y-ZrO₂(Y₂O₃), Al-Pt-ZrO₂(Y₂O₃) і вставок композиційного злитка AlCr та NiAl відбувається за схемою “пар-рідина-тверда фаза” з формуванням на підкладці з жароміцного сплаву сполучного шару на основі алюмініду нікелю при температурах конденсації Тк = 850...1050С.

3. Встановлено, що при термоциклічних випробуваннях на повітрі за режимом 50«1135С, 1 цикл – 1 година, градієнтних теплозахисних покриттів, отриманих випаром металокерамічних таблеток системи Al-Y-ZrO₂(15Y₂O₃) зі змістом алюмінію від 3 до 20% ваг. найбільша довговічність отримана для складів 6Al-0,2Y-93,8ZrO₂(15Y₂O₃) та 13Al-0,2Y-86,8ZrO₂(15Y₂O₃).

4. Розроблено циклограму процесу випару металокерамічних таблеток системи Al-Y-ZrO₂(15Y₂O₃) і оптимальний температурний режим осадження за один технологічний цикл металевого сполучного шару при 950…1000С, перехідної зони при 1000…1050С і зовнішнього керамічного шару ZrO₂(7Y₂O₃) при 830…850С градієнтного теплозахисного покриття NiCoCrAlY / 6Al-0,2Y-93,8ZrO₂(15Y₂O₃) / ZrO₂(7Y₂O₃).

5. Для осадження на жароміцні сплави ЭИ848, PWA1480, Inconel738 й GTD111 рекомендуються градієнтні теплозахисні покриття з металевим сполучним шаром Ni20Co20Cr12Al0,3Y товщиною 80…100 мкм, перехідними зонами 6Al-0,2Y-93,8ZrO₂(15Y₂O₃) і 13Al-0,2Y-86,8ZrO₂(15Y₂O₃) товщиною 5…6 мкм і зовнішнім керамічним шаром ZrO₂(7Y₂O₃) товщиною 120..150 мкм.

6. Встановлено, що при випарі верхніх вставок композиційного злитка, що містять 0,5…3 г антрацену, відбувається утворення перехідної зони товщиною 3…5 мкм, що містить карбіди W й Cr на поверхні розділу жароміцний сплав / сполучний шар у градієнтних теплозахисних покриттях складів Mе_xC_y+NiAl/ZrO₂(7Y₂O₃) і Mе_xC_y+NiCrAl/ZrO₂(7Y₂O₃).

7. Використання оксидів HfO₂ й Gd₂O₃ як нижніх вставок композиційного керамічного злитка дозволяє ефективно вирішити завдання одержання покриттів з регульованою структурою та властивостями зовнішнього керамічного шару.

8. Термоциклічна довговічність на повітрі при 50«1150С градієнтних теплозахисних покриттів NiCoCrAlY+AlCr/ZrO₂(7Y₂O₃) і Mе_xC_y+NiAl/ZrO₂(7Y₂O₃) на жароміцних сплавах ЖС32, CMSX4 й Rene142 перевершує довговічність стандартних теплозахисних покриттів NiCoCrAlY/ZrO₂(7Y₂O₃) в 1,5…2 рази.

9. Для охолоджуваних повітрям лопаток газотурбінних двигунів з жароміцних термостабільних сплавів останніх поколінь Rene5, CMSX4 й Rene142 пропонується теплозахисне градієнтне покриття з металевим шаром на основі алюмініду нікелю Mе_xC_y(5…8 мкм)+NiAl(30…50 мкм) / ZrO₂(7Y₂O₃)(150…250 мкм), що осаджується за один технологічний цикл із використанням композиційного злитка та наступним відпалом у вакуумі при 1100С, 1 година.

10. Для захисту жароміцних сплавів ЖС26, ЖС32, PWA1480 з підвищеним змістом титану, танталу, гафнію й вуглецю рекомендується теплозахисне градієнтне покриття Ni20Co20Cr12Al0,3Y(80…100 мкм)+AlCr(20…40 мкм) / ZrO₂(7Y₂O₃)(150…250 мкм) у якому сполучний шар NiCoCrAlY, перехідна зона AlCr, сформована випаром вставок композиційного злитка, а також зовнішній керамічний шар ZrO₂(7Y₂O₃) осаджуються за один технологічний цикл із наступним відпалом у вакуумі при 1100С, 1 година.

11. На підставі отриманих результатів розроблена електронно-променева технологія нанесення градієнтних теплозахисних покриттів на лопатки ГТД із використанням композиційного злитка, що дозволяє в 2 рази підвищити продуктивність процесу осадження покриттів.

Основні результати дисертації висвітлені в роботах:

1. Мовчан Б.А., Рудой Ю.Э. Градиентные теплозащитные покрытия, получаемые электронно-лучевым осаждением паровой фазы в вакууме // Пробл. спец. электрометаллургии. - 1997.- №2.- С. 25-32.

2. Малашенко И.С., Белоцерковский В.А., Рудой Ю.Э., Шелковой А.Н., Орленко В.В. Долговечность конденсационных градиентных теплозащитных покрытий при циклическом окислении на воздухе // Пробл. спец. электрометаллургии. - 1998.- №1.- С. 26-36.

3. Movchan M., Rudoy Yu. Composition, structure and properties of gradient thermal barrier coatings (TBCs) produced by electron beam physical vapor deposition (EB-PVD) // Materials and Design – 1998.- №19. – Р. 253-258.

4. Яковчук К.Ю. Рудой Ю.Э. Одностадийная электронно-лучевая технология осаждения термобарьерных градиентных покрытий // Современная электрометаллургия – 2003. - №2. – С. 10-16.

5. Пат. 17473 А Украина МПК⁵ С23С 4/00, 30/00. Получение на подложке защитных покрытий с градиентом химического состава и структуры по толщине с внешним керамическим слоем / Б.А. Мовчан, Ю.Э. Рудой, И.С. Малашенко. – Опубл.18.03.96; Пат. 5834070 США, Nov / 10, 1998.; Пат. RU2120494 Россия. Способ получения на подложке защитных покрытий с градиентом химического состава и структуры по толщине с внешним керамическим слоем, его вариант.- Опубл. 17.06.97.; Пат. ZL 97110226.0 Китай, Опубл. 14.11.2001.; Европейский патент 0799904, Опубл. 08.10.1997.

6. Пат. 56228 А Украина, ІСІ⁶ С23С 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. 15.05.03; Пат. 6669989 B2 США, Dec. 30, 2003., Пат. 1096037 EP, 2001-05-02.; Европейский патент 1096037А. Опубл. 02.05.2001.

7. Рудой Ю.Э. Исследование долговечности градиентных теплозащитных покрытий // Труды XVIII совещания по температуроустойчивым функциональным покрытиям – Тула. 2001. – Часть 1. – С. 136-140.

8. Яковчук К.Ю. Рудой Ю.Э. Термобарьерные градиентные покрытия, получаемые электронно-лучевым испарением // Сб. Док. 3-й Межд. Конф. ОТТОМ-3 «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов» Харьков, 2002. - Часть 2. - С. 117-124.

Особистий вклад автора: В [1, 3, 8] виконано експериментальну частину, а також досліджені умови формування складу та структури отриманих градієнтних теплозахисних покриттів NiCoCrAlY/Al-Y-ZrO₂(Y₂O₃)/ZrO₂(7Y₂O₃). В [2, 7] досліджено вплив термообробки на структуру покриттів та їх довговічність в умовах статичного й циклічного окислення. В [4] проведено аналіз хімічного складу, структури та властивостей градієнтних теплозахисних покриттів, що осаджують на жароміцні сплави по одностадійній електронно-променевій технології. В [5, 6] запропоновано та експериментально обґрунтовано межі хімічного складу для металокерамічних таблеток і вставок композиційного злитка, що випаровують.