RU2530974C1

RU2530974C1 - Composition of packing coating for modification of turbine stator element

Info

Publication number: RU2530974C1
Application number: RU2013122494/02A
Authority: RU
Inventors: Лев Христофорович Балдаев; Сергей Львович Балдаев; Николай Александрович Доброхотов; Игорь Руфимович Дубов; Владимир Ильич Коржнев; Олег Алексеевич Лобанов; Светлана Салаватовна Мухаметова; Николай Васильевич Силимянкин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Технологические системы защитных покрытий"
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2014-10-20

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: packing coating for modification of power turbine stator element contains, wt %: boron nitride - 2-5, polyvinyl alcohol - 7-10, stabilised by yttrium oxide zirconium dioxide of the system ZrO₂ - 7-9% Y₂O₃ - the rest up to 100%. The ratio of the boron nitride contents to the polyvinyl alcohol content amounts 1:2.

EFFECT: improvement of coating quality, high porosity without laminations and cracks in the coating.

1 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для получения уплотнительного покрытия методом газотермического напыления, например плазменного напыления, а также при производстве паровых или газовых турбин для обеспечения стабильности зазоров в сопряженных элементах проточной части турбины. The invention relates to the field of powder metallurgy and can be used to obtain a sealing coating by the method of thermal spraying, such as plasma spraying, as well as in the production of steam or gas turbines to ensure the stability of the gaps in the mating elements of the flow part of the turbine.

В настоящее время, ведущие мировые производители паровых турбин наиболее активно ведут исследования в направлении конструктивных решений уплотнений паровых турбин.Currently, the world's leading manufacturers of steam turbines are most actively conducting research in the direction of design solutions for steam turbine seals.

Уплотнительные или изнашиваемые покрытия применяются в газотурбинных двигателях в авиации, энергетике, газоперекачивающих агрегатах (ГПА) взамен вставок из уплотнительных материалов. Изнашиваемые покрытия снижают зазор между статором и ротором газогенератора (компрессор и турбина). Методом плазменного напыления уплотнительные покрытия делаются настолько податливыми, чтобы кромка лопатки или лабиринт легко врезались в их слой, однако, достаточно прочными, чтобы выдерживать напор газового потока при повышенных температурах.Sealing or wearing coatings are used in gas turbine engines in aviation, energy, gas pumping units (GPU) instead of inserts from sealing materials. Wear coatings reduce the gap between the stator and the rotor of the gas generator (compressor and turbine). By plasma spraying, the sealing coatings are made so flexible that the edge of the scapula or labyrinth easily cut into their layer, however, they are strong enough to withstand the pressure of the gas stream at elevated temperatures.

Применение уплотняющих (прирабатываемых) покрытий в горячей части турбины газотурбинного двигателя (ГТД) позволяет заметно повысить КПД и тепловую мощность двигателя за счет уплотнения зазоров по периферийным торцам лопаток и по гребешкам лабиринтных уплотнений между ступенями по всей окружности вращения, сводя к минимуму износ дорогостоящих вращающихся лопаток ротора турбины. Основными требованиями к уплотнительным покрытиям в ГТД являются достаточная прочность, податливость при врезании лопаток лабиринтными выступами, антифрикционность, теплозащитные свойства, эрозионная стойкость и низкое сопротивление "выветриванию" рабочей поверхности (со стороны газового потока).The use of sealing (running-in) coatings in the hot part of the turbine of a gas turbine engine (GTE) can significantly increase the efficiency and thermal power of the engine by sealing gaps along the peripheral ends of the blades and along the combs of the labyrinth seals between the steps around the entire circumference of rotation, minimizing the wear of expensive rotating blades turbine rotor. The main requirements for sealing coatings in gas-turbine engines are sufficient strength, ductility when inserting blades with labyrinth protrusions, antifriction, heat-shielding properties, erosion resistance and low resistance to “weathering” of the working surface (from the gas stream).

Из уровня техники известно, что истираемые уплотнения, нанесенные на стационарные кожуха газовых или паровых турбин, используются для того, чтобы позволить элементам вращающегося узла (например, оконечностям лопаток турбины или зубцам вала и т.п.) контактировать со статором без существенного повреждения или износа. Контакт между вращающимися элементами и истираемым уплотнителем приводит в результате к протертым канавкам в истираемом уплотнителе, создающим уплотненный зазор между этими двумя деталями. Примеры истираемых уплотнений описаны в патенте США №6547522 В2, опубликованном 15.04.2003.It is known from the prior art that abrasive seals applied to stationary casings of gas or steam turbines are used to allow elements of a rotating assembly (for example, the ends of turbine blades or shaft teeth, etc.) to contact the stator without significant damage or wear. . The contact between the rotating elements and the abrasive seal results in frayed grooves in the abradable seal, creating a sealed gap between the two parts. Examples of abradable seals are described in US Pat. No. 6,574,522 B2, published April 15, 2003.

Известен уплотнительный материал (АС №1767926 А1, 15.08.1994, С23С 4/06), включающий рабочий слой, содержащий диоксид циркония (ZrO₂), стабилизированный 5-10 мас.% оксида иттрия (Y₂O₃), а также нитрид бора (BN) и/или графит (С) при следующем соотношении компонентов, мас.%:Known sealing material (AC No. 1767926 A1, 08/15/1994, C23C 4/06), including a working layer containing zirconium dioxide (ZrO ₂ ), stabilized 5-10 wt.% Yttrium oxide (Y ₂ O ₃ ), as well as nitride boron (BN) and / or graphite (C) in the following ratio of components, wt.%:

стабилизированный диоксид цирконияstabilized zirconia 80-9580-95 нитрид бора и/или графитboron nitride and / or graphite 5-205-20

Недостатком данного технического решения является то, что порошковый материал, применяемый для получения данного уплотнительного покрытия, является механической смесью порошков, в которой частицы ZrO₂ и BN (или BN+C) не связаны друг с другом, т.е. не скомпактированы в гранулы. В связи с тем, что BN является мелкодисперсным тугоплавким, инертным порошком, не образующим покрытия (в чистом виде), то в процессе напыления такого порошкового материала будет происходить его расслоение на составляющие компоненты, что приведет к потере BN в полученном покрытии.The disadvantage of this technical solution is that the powder material used to obtain this sealing coating is a mechanical mixture of powders in which ZrO ₂ and BN (or BN + C) particles are not bonded to each other, i.e. not compacted into granules. Due to the fact that BN is a finely divided refractory, inert powder that does not form a coating (in pure form), in the process of spraying such a powder material, it will be stratified into its constituent components, which will lead to the loss of BN in the resulting coating.

Известен высокотемпературный композиционный материал для уплотнительного покрытия (Патент РФ №2303649 С2, 27.07.2007, С23С 4/10) - прототип, включающий нитрид бора и стабилизированный диоксид циркония. При этом композиционный материал содержит также нихромовое волокно длиной 3-5 мм, а стабилизированный диоксид циркония содержится в двух фракциях - диоксид циркония, стабилизированный 7% оксида иттрия, фракции 100-250 мкм и стабилизированный диоксид циркония активированной пылевидной фракции при следующем соотношении компонентов, мас.%:Known high-temperature composite material for a sealing coating (RF Patent No. 2,303,649 C2, 07/27/2007, C23C 4/10) - a prototype comprising boron nitride and stabilized zirconia. Moreover, the composite material also contains nichrome fiber 3-5 mm long, and stabilized zirconia is contained in two fractions - zirconia stabilized with 7% yttrium oxide, fractions 100-250 μm and stabilized zirconia activated dust fraction in the following ratio of components, wt .%:

стабилизированный диоксид циркония фракции 100-250 мкм stabilized zirconia fraction 100-250 microns 10-1510-15 нитрид бораboron nitride 15-2515-25 нихромовое волокноnichrome fiber 9-129-12 стабилизированный диоксид цирконияstabilized zirconia активированной пылевидной фракцииactivated dust fraction остальноеrest

Недостатком данного технического решения является то, что данный способ требует нанесения влажного состава на поверхность основы ручным или механизированным способом, и также последующие сушку и прессование в вакууме при нагреве до 1100°C. А кроме того, нанесение используемого в данном решении композиционного материала требует применения специального дорогостоящего оборудования и приспособлений (вакуумные печи, термофиксаторы), особенно при нанесении на крупноразмерные конструкции сложной формы.The disadvantage of this technical solution is that this method requires applying the wet composition to the surface of the base manually or mechanically, and also subsequent drying and pressing in vacuum when heated to 1100 ° C. And in addition, the application of the composite material used in this solution requires the use of special expensive equipment and devices (vacuum furnaces, heat fixers), especially when applied to large-sized structures of complex shape.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному материалу является высокотемпературный композиционный материал для уплотнительного покрытия (Патент РФ №2386513 С2, 20.04.2010, С23С 4/10) - прототип, включающий нитрид бора, алюмогель и стабилизированный диоксид циркония в следующем соотношении компонентов, мас.%:The closest in technical essence to the proposed material is a high-temperature composite material for sealing coating (RF Patent No. 2386513 C2, 04/20/2010, C23C 4/10) - a prototype that includes boron nitride, aluminum gel and stabilized zirconia in the following ratio of components, wt. %:

гексагональный нитрид бораhexagonal boron nitride 5-155-15 алюмогельalumogel 3-63-6 стабилизированный диоксид циркония системыstabilized zirconia system ZrO₂-7-8% Y₂O₃ ZrO ₂ -7-8% Y ₂ O ₃ остальное до 100%the rest is up to 100%

Недостатком данного технического решения является то, что в составе покрытия после нанесения данного материала присутствует оксид алюминия, который может приводить к дополнительному износу лопаток турбин.The disadvantage of this technical solution is that in the coating composition after applying this material, aluminum oxide is present, which can lead to additional wear of the turbine blades.

Недостаток известных составов уплотнительных покрытий заключается в том, что материалы изготавливаются в виде механической смеси или путем добавления связующего, который после нанесения остается в покрытии, что может приводить к снижению ресурса статора и наведению дополнительных остаточных напряжений в уплотнительное покрытие.A disadvantage of the known compositions of the sealing coatings is that the materials are made in the form of a mechanical mixture or by adding a binder, which after application remains in the coating, which can lead to a decrease in the stator life and inducing additional residual stresses in the sealing coating.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является изготовление материала уплотнительного покрытия, в составе которого присутствует связующее вещество, которое при нанесении полностью выгорает.The problem to which the invention is directed, is the manufacture of a sealing coating material, which contains a binder, which, when applied, completely burns out.

Технический результат заявленного изобретения - повышение качества получаемого покрытия. Технический результат достигается тем, что состав уплотнительного покрытия для модификации элемента статора энергетической турбины включает компоненты при следующем соотношении, мас.%: нитрид бора - 2-5, поливиниловый спирт - 7-10, двуокись циркония, стабилизированную 7-9% оксидом иттрия - остальное до 100%. Полученный материал обладает высокой пористостью после напыления и не растрескивается с отслоением при врезании в условиях термоциклирования.The technical result of the claimed invention is improving the quality of the resulting coating. The technical result is achieved in that the composition of the sealing coating for the modification of the stator element of the energy turbine includes components in the following ratio, wt.%: Boron nitride - 2-5, polyvinyl alcohol - 7-10, zirconia stabilized with 7-9% yttrium oxide - the rest is up to 100%. The resulting material has a high porosity after sputtering and does not crack with peeling when embedded under thermal cycling.

Проведенные исследования показали, что при напылении данного состава плазменным напылением покрытие формируется с высокой пористостью - до 20%. Дальнейшее увеличении содержания поливинилового спирта пористость достигает своего предельного значения, после которого начинается расслоение покрытия.Studies have shown that when spraying this composition with plasma spraying, the coating forms with high porosity - up to 20%. A further increase in the content of polyvinyl alcohol, the porosity reaches its limit value, after which the separation of the coating begins.

В зависимости от твердости материала лопатки, который врезается в покрытие, подбирается содержание нитрида бора и поливинилового спирта. Оптимальным соотношением содержания нитрида бора к содержанию поливинилового спирта является 1:2.Depending on the hardness of the material of the blade that cuts into the coating, the content of boron nitride and polyvinyl alcohol is selected. The optimal ratio of boron nitride to polyvinyl alcohol is 1: 2.

Пример 1. Порошок на основе оксида циркония с нитридом бора и поливиниловым спиртом был нанесен методом плазменного напыления. Соотношение компонентов было следующим, мас.%: нитрид бора - 5, поливиниловый спирт - 10, двуокись циркония, стабилизированную 7-9% оксидом иттрия, - остальное до 100%. Пористость составила покрытия составила 20%. Результаты испытаний на истираемость при врезании показали, что соотношение линейного износа материала 20Х13 к уплотнительному покрытию составило 1:5. За единицу принимают износ лопатки. Нормальное соотношение износов лопатки к уплотнительному материалу для компрессора составляет от 1:2 до 1:6.Example 1. A powder based on zirconium oxide with boron nitride and polyvinyl alcohol was applied by plasma spraying. The ratio of the components was as follows, wt.%: Boron nitride - 5, polyvinyl alcohol - 10, zirconia stabilized with 7-9% yttrium oxide, the rest was up to 100%. The porosity of the coating was 20%. The results of insertion abrasion tests showed that the ratio of linear wear of the material 20X13 to the sealing coating was 1: 5. Per unit take the wear of the scapula. The normal ratio of blade wear to compressor seal material is from 1: 2 to 1: 6.

Пример 2. Порошок на основе оксида циркония с нитридом бора и поливиниловым спиртом был нанесен методом плазменного напыления на ряд образцов. В таблице 1 приведены результаты металлографического анализа пористости покрытий.Example 2. A powder based on zirconium oxide with boron nitride and polyvinyl alcohol was applied by plasma spraying to a number of samples. Table 1 shows the results of metallographic analysis of the porosity of the coatings.

Таблица 1Table 1 Образец покрытияCoating pattern Содержание нитрида бора, мас.%The content of boron nitride, wt.% Содержание поливинилового спирта, мас.%The content of polyvinyl alcohol, wt.% ПористостьPorosity Наличие дефектовThe presence of defects 1one 22 1010 18%eighteen% отсутствуютare absent 22 33 1010 18%eighteen% отсутствуютare absent 33 4four 1010 20%twenty% отсутствуютare absent 4four 55 1010 20%twenty% отсутствуютare absent 55 55 1212 28%28% расслоениеstratification

Claims

The composition of the sealing coating for the modification of the stator element of the energy turbine, including stabilized zirconia, characterized in that it additionally contains boron nitride and polyester in the following ratio, wt.%: Boron nitride - 2-5, polyvinyl alcohol - 7-10, stabilized yttrium oxide zirconium dioxide system ZrO ₂ -7-9% Y ₂ O ₃ - the rest is up to 100%, and the ratio of the content of boron nitride to the content of polyvinyl alcohol is 1: 2.