RU2261334C1 - Multilayer high-temperature thermal protection ceramic coating - Google Patents
Multilayer high-temperature thermal protection ceramic coating Download PDFInfo
- Publication number
- RU2261334C1 RU2261334C1 RU2003136712/06A RU2003136712A RU2261334C1 RU 2261334 C1 RU2261334 C1 RU 2261334C1 RU 2003136712/06 A RU2003136712/06 A RU 2003136712/06A RU 2003136712 A RU2003136712 A RU 2003136712A RU 2261334 C1 RU2261334 C1 RU 2261334C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layers
- coating
- ceramic
- layer
- action
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к средствам защиты охлаждаемых рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей от высоких температур.The invention relates to the field of engineering, and in particular to means for protecting cooled working blades of turbines of gas turbine engines from high temperatures.
Охлаждение лопатки воздухом, продуваемым через внутреннюю полость, обеспечивает ее работоспособность в условиях высоких (1000-1200°С) температур металла. Однако дальнейшее повышение температур газа при использовании таких лопаток затруднительно, поскольку оно ведет к увеличению теплового потока, подводимого к этим лопаткам, а улучшение их внутреннего охлаждения трудно осуществимо и ведет к повышению температурного перепада по толщине стенки. Это негативно сказывается на термоциклическом ресурсе лопатки. Поэтому одним из путей повышения температуры газа при сохранении ресурса лопаток является применение теплозащитных покрытий (ТЗП), обеспечивающих снижение теплопритока к основному материалу лопатки.The cooling of the blade by the air blown through the internal cavity ensures its performance under conditions of high (1000-1200 ° C) metal temperatures. However, a further increase in gas temperatures when using such blades is difficult, since it leads to an increase in the heat flux supplied to these blades, and an improvement in their internal cooling is difficult to achieve and leads to an increase in the temperature difference across the wall thickness. This negatively affects the thermocyclic resource of the scapula. Therefore, one of the ways to increase the temperature of the gas while maintaining the resource of the blades is the use of heat-protective coatings (TZP), which provide a decrease in heat gain to the main material of the blade.
Одним из наиболее перспективных типов ТЗП являются покрытия на основе диоксида циркония (ZrO2), нанесенного на жаростойкую подложку, препятствующую окислению основного материала лопатки.One of the most promising types of TZP are coatings based on zirconium dioxide (ZrO 2 ), deposited on a heat-resistant substrate, which prevents the oxidation of the main material of the blade.
Известны покрытия на основе ZrO2, наносимые плазменным напылением (В.П.Елютин, В.И.Костиков, Б.С.Лысов и др. Высокотемпературные материалы, ч.2. М., Металлургия, 1973 г., с. 350-354). Покрытие, нанесенное таким образом, представляет собой пористый слой, состоящий из частиц, связанных между собой частично за счет адгезии, частично за счет взаимной диффузии. При нанесении такого покрытия между ним и материалом, на который оно нанесено, образуются большие растягивающие напряжения. При этом керамические материалы очень плохо работают на растяжение, что ведет к очень быстрому разрушению такого покрытия на лопатках.Plasma-based coatings based on ZrO 2 are known (V.P. Elyutin, V.I. Kostikov, B.S. Lysov, and others. High-temperature materials, part 2. M., Metallurgy, 1973, p. 350 -354). The coating thus applied is a porous layer consisting of particles bonded together partly due to adhesion, partly due to mutual diffusion. When applying such a coating between it and the material on which it is applied, large tensile stresses are formed. At the same time, ceramic materials work very poorly in tension, which leads to a very rapid destruction of such a coating on the blades.
Известно покрытие на основе ZrO2, наносимое электроннолучевым способом (Абраимов Н.В. Васокотемпературные материалы и защитные покрытия для газовых турбин. М., Машиностроение, 1993 г. с.159.). При нанесении покрытия этим способом материал покрытия испаряется в вакуумной камере электронным лучом и осаждается на разогретую поверхность. При этом на ней образуется покрытие в виде столбчатых, не связанных между собой волокон, по всей толщине покрытия. Нанесенное таким способом покрытие обеспечивает хорошую теплозащиту, поскольку тепло распространяется вдоль относительно длинных волокон (l≈100...150 мкм) малого поперечного сечения (d≈1..3 мкм). Для улучшения теплозащиты ведутся работы по повышению толщины покрытия до 250..300 мкм. Волокна имеют сечение неправильной формы. Покрытие, состоящее из отдельных столбчатых волокон, гораздо лучше работает в условиях термоциклических нагрузок. Однако оно обладает существенным недостатком: в условиях действия центробежной или вибрационной нагрузки, направление которой будет перпендикулярно оси столбчатых волокон, на них будет действовать изгибающая нагрузка, существенно превышающая предел прочности для керамики, причем она будет тем больше, чем выше волокно, а следовательно, чем толще покрытие.Known coating based on ZrO 2 applied by the electron beam method (Abraimov N.V. Wasocotemperature materials and protective coatings for gas turbines. M., Mechanical Engineering, 1993, p. 159). When coating by this method, the coating material is vaporized in a vacuum chamber by an electron beam and deposited on a heated surface. At the same time, a coating is formed on it in the form of columnar, unconnected fibers, over the entire thickness of the coating. The coating applied in this way provides good thermal protection, since heat spreads along relatively long fibers (l≈100 ... 150 microns) of small cross section (d≈1..3 microns). To improve thermal protection, work is underway to increase the coating thickness to 250..300 microns. The fibers are irregularly shaped. A coating consisting of individual columnar fibers works much better under thermocyclic loads. However, it has a significant drawback: under the action of a centrifugal or vibration load, the direction of which will be perpendicular to the axis of the columnar fibers, they will be subjected to a bending load, significantly exceeding the tensile strength for ceramics, and it will be the greater, the higher the fiber, and therefore, the thicker coating.
Так же известно многослойное высокотемпературное покрытие по патенту США №4,904,542 "Многослойное коррозионно-стойкое покрытие", состоящее из керамических слоев, разделенных металлическими слоями. Данное покрытие имеет ряд существенных недостатков. Входящие в его состав керамика образована путем плазменного напыления, что существенно снижает его термическую усталость и долговечность. Материал металлических слоев выбирается исходя из характеристик его стойкости к эрозии. Это ведет к тому что при наличии перепадов температуры как по толщине, так и по его поверхности в материале металлического слоя возникнут термические напряжения, которые будут переданы керамике, имеющей низкую прочность на растяжение.Also known multilayer high-temperature coating according to US patent No. 4,904,542 "Multilayer corrosion-resistant coating", consisting of ceramic layers separated by metal layers. This coating has a number of significant disadvantages. The ceramics included in its composition are formed by plasma spraying, which significantly reduces its thermal fatigue and durability. The material of the metal layers is selected based on the characteristics of its resistance to erosion. This leads to the fact that in the presence of temperature differences both in thickness and on its surface, thermal stresses will arise in the material of the metal layer, which will be transferred to ceramics having low tensile strength.
Технической задачей предлагаемого устройства является повышение стойкости высокотемпературного теплозащитного покрытия к термическим и механическим нагрузкам, повышение долговечности покрытия.The technical task of the proposed device is to increase the resistance of the high-temperature heat-shielding coating to thermal and mechanical loads, increase the durability of the coating.
Технический результат достигается за счет использования многослойного высокотемпературного теплозащитного керамического покрытия, состоящего из двух или более керамических слоев, разделенных металлическими слоями, причем материалы слоев, соединяющих керамические слои, выбирают таким образом, чтобы материал, имеющий меньший коэффициент теплового расширения, располагался в зоне действия более высоких температур, а материал, имеющий больший коэффициент теплового расширения, находился в зоне действия меньших температур. Керамические слои образованы столбчатыми керамическими волокнами, высота которых не превышает его двадцати максимальных характерных поперечных размеров.The technical result is achieved through the use of a multilayer high-temperature heat-insulating ceramic coating, consisting of two or more ceramic layers separated by metal layers, and the materials of the layers connecting the ceramic layers are selected so that a material having a lower coefficient of thermal expansion is located in the range of more high temperatures, and a material with a larger coefficient of thermal expansion was in the range of lower temperatures. Ceramic layers are formed by columnar ceramic fibers, the height of which does not exceed its twenty maximum characteristic transverse dimensions.
Ограничение толщины керамического слоя и нанесение поверх него металлического слоя снижает изгибающий момент, действующий на керамические волокна, поскольку волокно из балки с консольной заделкой превращается в балку с защемленными концами. Толщина керамического слоя ТЗП, т.е. длина столбчатых волокон определяется из условия неразрушения волокна под действием изгибающей силы от центробежной нагрузки при рабочих температурах. Из условия снижения напряжений в основании столбчатых волокон высота волокна ограничивается соотношением 20d, где d - средний диаметр волокон рассматриваемого слоя, условно имеющих круглое сечение. В зависимости от времени и режимов нанесения покрытия d может изменятся в широких пределах. Необходимый уровень теплового сопротивления обеспечивается увеличением числа керамических слоев, чередующихся с металлическими. Практически таким образом может быть получено покрытие любой толщины.Limiting the thickness of the ceramic layer and applying a metal layer on top of it reduces the bending moment acting on the ceramic fibers, since the fiber from a beam with a cantilever termination turns into a beam with pinched ends. The thickness of the ceramic layer TZP, i.e. the length of columnar fibers is determined from the condition of non-destruction of the fiber under the action of bending force from centrifugal load at operating temperatures. From the condition of reducing stresses at the base of columnar fibers, the fiber height is limited by the ratio 20d, where d is the average diameter of the fibers of the considered layer, conditionally having a circular cross section. Depending on the time and coating conditions, d can vary widely. The necessary level of thermal resistance is provided by an increase in the number of ceramic layers alternating with metal. In almost this way, a coating of any thickness can be obtained.
Поскольку температура по толщине материала будет существенно меняться для предотвращения возникновения термических напряжений, материалы металлических слоев должны подбираться с учетом их коэффициента температурного расширения (КТР). Материал, находящийся в зоне действия большей температуры, должен иметь КТР меньший, чем материал слоя, находящегося в условиях действия меньшей температуры.Since the temperature over the thickness of the material will vary significantly to prevent the occurrence of thermal stresses, the materials of the metal layers should be selected taking into account their coefficient of thermal expansion (CTE). Material located in the zone of action of a higher temperature should have a CTE less than the material of a layer located in the conditions of action of a lower temperature.
Например, при создании шестислойного покрытия на основе ZrO2, с использованием применяемых в настоящее время для жаростойких покрытий (Елисеев Ю.С., Абраимов Н.В., Крымов В.В. " Химико-термическая обработка и защитные покрытия в авиадвигателестроении." Изд. "Высшая школа" М. 1999 г. с.139) в качестве металлических слоев, жаропрочные материалы целесообразно размещать в следующей последовательности, учитывая их КТР:For example, when creating a six-layer coating based on ZrO 2 , using currently used for heat-resistant coatings (Eliseev Yu.S., Abraimov N.V., Krymov V.V. "Chemical-thermal treatment and protective coatings in aircraft engine building." Publishing house "Higher School" M. 1999 p.139) as metal layers, heat-resistant materials, it is advisable to place in the following sequence, given their KTR:
Верхний слой ZrO2: слой Co-22Cr-13Al-1Y (α=16·10-6 1/°C), 2-й слой ZrO2: слой Co-26Cr-9Al-1Y (α=16·10-6 1/°С), 3-й слой ZrO2: слой Со-32Сr-3Al-1Y. Основной материал.Top ZrO 2 layer: Co-22Cr-13Al-1Y layer (α = 16 · 10 -6 1 / ° C), 2nd ZrO 2 layer: Co-26Cr-9Al-1Y layer (α = 16 · 10 -6 1 / ° C), 3rd layer of ZrO 2 : Co-32Cr-3Al-1Y layer. Main material.
На фиг.1 изображено сечение предлагаемого покрытия.Figure 1 shows a cross section of the proposed coating.
На фиг.2 показан узел I фиг.1 в увеличенном масштабе.Figure 2 shows the node I of figure 1 on an enlarged scale.
Многослойное покрытие, нанесенное на поверхность лопатки 1, состоит из слоев 2 столбчатых волокон из двуокиси циркония, разделенных слоями 3, 4, 5, жаростойких материалов, причем КТР материала 3 ниже, чем у материала слоя 4, а у материала слоя 4 ниже, чем у материала слоя 5. Столбчатое волокно слоя 2 имеет размер d поперечного сечения.The multilayer coating deposited on the surface of the blade 1 consists of layers 2 of columnar fibers of zirconium dioxide, separated by layers 3, 4, 5, of heat-resistant materials, and the KTP of material 3 is lower than that of the material of layer 4, and that of the material of layer 4 is lower than the material of layer 5. The columnar fiber of layer 2 has a cross-sectional dimension d.
Заявляемое покрытие работает следующим образом.The inventive coating works as follows.
Во время работы двигателя горячий газ обтекает поверхность покрытия лопатки, передавая часть тепла верхнему керамическому слою покрытия. Вследствие плохой теплопроводности температура обратной стороны керамического слоя имеет существенно более низкую температуру, чем внешняя. Прослойка из жаростойкого материала прогревается, расширяясь на величинуDuring engine operation, hot gas flows around the surface of the blade coating, transferring part of the heat to the upper ceramic coating layer. Due to poor thermal conductivity, the temperature of the reverse side of the ceramic layer has a significantly lower temperature than the outside. The layer of heat-resistant material warms up, expanding by the amount
Δl1=α1ΔT1,Δl 1 = α 1 ΔT 1 ,
где α1 - КТР материала слоя;where α 1 - CTE of the layer material;
ΔT1 - температура слоя.ΔT 1 is the temperature of the layer.
Температура следующего жаропрочного слоя будет ниже температуры предыдущего, поскольку лежащий между ними керамический слой препятствует теплопередаче. При этом величина расширения второго жаропрочного слоя будетThe temperature of the next heat-resistant layer will be lower than the temperature of the previous one, since the ceramic layer lying between them prevents heat transfer. The magnitude of the expansion of the second heat-resistant layer will be
Δl2=α2ΔT2,Δl 2 = α 2 ΔT 2 ,
где α2 - КТР материала второго слоя,where α 2 - CTE of the material of the second layer,
ΔТ2 - температура слоя.ΔТ 2 is the temperature of the layer.
При правильно подобранных материалах Δl2 и Δl1 будут близки по величине, что препятствует развитию больших термонапряжений.With correctly selected materials, Δl 2 and Δl 1 will be close in magnitude, which prevents the development of large thermal stresses.
Следующие слои работают аналогичным образом.The following layers work in a similar way.
Керамические столбчатые волокна, ограниченные по длине и имеющие двухстороннее крепление в условиях изгиба, возникающего от действия центробежной силы, не будут подвергаться действию больших напряжений, что повысит долговечность покрытия. Кроме того, наличие нескольких слоев жаропрочного покрытия существенно снизит окисление основного материала лопатки, что также повысит долговечность покрытия.Ceramic columnar fibers, limited in length and having double-sided fastening under bending conditions resulting from the action of centrifugal force, will not be subjected to high stresses, which will increase the durability of the coating. In addition, the presence of several layers of heat-resistant coating will significantly reduce the oxidation of the main material of the blade, which will also increase the durability of the coating.
Таким образом, предлагаемое покрытие позволит существенно повысить защиту лопатки, поскольку его можно делать значительно толще существующих, покрытие лучше защищает материал от окисления, это покрытие не будет иметь прогрессирующего разрушения, поскольку разрушение одного слоя не приведет к ускоренному окислению материала лопатки.Thus, the proposed coating will significantly improve blade protection, since it can be made much thicker than existing ones, the coating better protects the material from oxidation, this coating will not have progressive destruction, since the destruction of one layer will not lead to accelerated oxidation of the material of the blade.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003136712/06A RU2261334C1 (en) | 2003-12-22 | 2003-12-22 | Multilayer high-temperature thermal protection ceramic coating |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003136712/06A RU2261334C1 (en) | 2003-12-22 | 2003-12-22 | Multilayer high-temperature thermal protection ceramic coating |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2003136712A RU2003136712A (en) | 2005-06-10 |
| RU2261334C1 true RU2261334C1 (en) | 2005-09-27 |
Family
ID=35833652
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003136712/06A RU2261334C1 (en) | 2003-12-22 | 2003-12-22 | Multilayer high-temperature thermal protection ceramic coating |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2261334C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2674292C1 (en) * | 2017-06-19 | 2018-12-06 | Общество с ограниченной ответственностью "Термоэмиссионные Турбины" | Hypersonic turbojet engine |
| RU2689343C2 (en) * | 2017-07-05 | 2019-05-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") | Multilayer thermoemissive protective coating for part from heat-resistant alloy |
| RU2711564C1 (en) * | 2016-03-18 | 2020-01-17 | Сименс Энерджи, Инк. | Laser coupling of cmc layers |
| RU2741491C2 (en) * | 2016-11-09 | 2021-01-26 | Сафран | Part with applied thermal barrier for gas turbine engine and method of its production |
| US11028704B2 (en) | 2016-03-18 | 2021-06-08 | Siemens Energy, Inc. | Turbine blade assembly including multiple ceramic matrix composite components |
-
2003
- 2003-12-22 RU RU2003136712/06A patent/RU2261334C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2711564C1 (en) * | 2016-03-18 | 2020-01-17 | Сименс Энерджи, Инк. | Laser coupling of cmc layers |
| US11028704B2 (en) | 2016-03-18 | 2021-06-08 | Siemens Energy, Inc. | Turbine blade assembly including multiple ceramic matrix composite components |
| RU2741491C2 (en) * | 2016-11-09 | 2021-01-26 | Сафран | Part with applied thermal barrier for gas turbine engine and method of its production |
| RU2674292C1 (en) * | 2017-06-19 | 2018-12-06 | Общество с ограниченной ответственностью "Термоэмиссионные Турбины" | Hypersonic turbojet engine |
| RU2689343C2 (en) * | 2017-07-05 | 2019-05-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") | Multilayer thermoemissive protective coating for part from heat-resistant alloy |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2003136712A (en) | 2005-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1373598B1 (en) | Thermal barrier coating having subsurface inclusions for improved thermal shock resistance | |
| US10767863B2 (en) | Combustor tile with monolithic inserts | |
| US9771811B2 (en) | Continuous fiber reinforced mesh bond coat for environmental barrier coating system | |
| US7449251B2 (en) | Heat resistant article having thermal barrier coating | |
| JP2005503940A (en) | Hybrid ceramic material comprising a ceramic thermal insulation layer and a ceramic structural layer | |
| EP2698452B1 (en) | Creep-resistant environmental barrier coatings | |
| JP2011169314A (en) | Gas turbine shroud with ceramic abradable coating | |
| CN1325762C (en) | Heat-insulating coating material and gas turbine component and gas turbine | |
| JP2006193828A (en) | Heat-shielding coating material, heat-shielding member, heat-shielding coating member, and method for production of the heat-shielding coating member | |
| EP2698451A2 (en) | Cavitation-resistant environmental barrier coating | |
| RU2261334C1 (en) | Multilayer high-temperature thermal protection ceramic coating | |
| JP2009228018A (en) | Heat-shielding coating material, turbine member and gas turbine provided with the same, and method for manufacturing heat-shielding coating material | |
| US20190119172A1 (en) | Coating structure, turbine part having same, and method for manufacturing coating structure | |
| US10612382B2 (en) | Method for manufacturing gas turbine part | |
| US10570742B2 (en) | Gas turbine part and method for manufacturing such gas turbine part | |
| JPH11117704A (en) | Gas turbine parts and manufacture thereof | |
| RU2568205C2 (en) | Thermoerosional coating for carbon-carbonic composite materials | |
| RU2430306C1 (en) | Aircraft combustion chamber case | |
| US11414564B1 (en) | Protective heat-resistant coating compositions | |
| KR20230065725A (en) | Coating methods for improving adhesion strength of thermal barrier coating applide to gas turbine high temperature parts | |
| GB2390569A (en) | Ceramic materials for thermal insulation | |
| JPH03249302A (en) | Turbine blade | |
| JPH02146204A (en) | Gas turbine blade | |
| WO2011076446A1 (en) | Thermal barrier coating having low thermal conductivity | |
| JPH0316568B2 (en) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20101223 |