Высокотемпературная коррозия двухслойных керамических теплозащитных покрытий

Высокотемпературная коррозия двухслойных керамических теплозащитных покрытий

Теплозащитные покрытия, формируемые в результате термического напыления, находят широкое применение для защиты структурных элементов горячей части авиационных двигателей и энергетических установок от воздействия высокотемпературной агрессивной газовой среды. Применение теплозащитных покрытий позволяет увеличить рабочую температуру рабочего тела в горячей части двигателя, либо сократить количество отбираемого воздуха для реализации воздушного охлаждения структурных элементов горячей части.

В настоящее время промышленным стандартом считается формирование теплозащитных покрытий на основе диоксида циркония, стабилизированного 7-8% (массовая концентрация) окисью иттрия (YSZ – yttria stabilized zirconia). Однако YSZ-керамика имеет один принципиальный недостаток – ограниченную эксплуатационную температуру (<1523К) при обеспечении требуемого уровня надежности и долговечности. При более высокой температуре происходят фазовые превращения и спекание пористой структуры, что приводит к формированию трещин и повышению эффективного коэффициента теплопроводности покрытия и, в результате, к разрушению теплозащитного покрытия.

Одной из главных проблем, возникающих при разработке нового поколения авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок, является поиск нового класса материалов для формирования теплозащитных покрытий, обладающих термической стабильностью при сверхвысоких температурах, чрезвычайно низким уровнем теплопроводности, высоким уровнем надежности и долговечности. Среди перспективных материалов для нового поколения теплозащитных покрытий рассматриваются, например, La2O3-Y2O3-ZrO2, Gd2O3-Y2O3-ZrO2, La2Zr2O7, La2Ce2O7, LaMgAl11O19 и другие химические соединения на основе оксидных соединений циркония и редкоземельных элементов.

В последнее время одним из самых перспективных материалов для нового поколения теплозащитных покрытий рассматривается LaTi2Al9O19 (LTA) благодаря комплексу характеристик – низкому коэффициенту теплопроводности, высокому коэффициенту линейного термического расширения и высокотемпературной стабильности вплоть до температуры 1773К.

Проведенный к настоящему времени комплекс экспериментальных исследований показывает, что при формировании двойного LTA/YSZ керамического слоя теплозащитное покрытие обладает термоциклической долговечностью в несколько тысяч циклов при температуре 1573К. Представленные данные демонстрируют значительный потенциал нового класса материалов для формирования теплозащитных покрытий.

В низкокачественных топливах всегда присутствуют примеси типа натрия и серы, которые могут образовывать сульфатно-натриевые соединения на поверхности лопаток газовой турбины. Также при применении подобных топлив могут формироваться натриево-хлоридные соединения при попадании в двигатель морской воды или насыщенного соленого морского воздуха. Также при эксплуатации двигателей на поверхности лопаток газовых турбин могут выделяться оксиды серы. Указанный комплекс химических соединений вызывает высокотемпературные коррозионные атаки на теплозащитные покрытия лопаток газовых турбин.

Для YSZ-теплозащитных покрытий показано, что при эксплуатации наблюдается фазовая деградация YSZ-керамики из-за растворения окиси иттрия в ванадиевых оксидных соединениях. В теплозащитных покрытиях, полученных методом плазменного напыления или методом электронно-лучевого осаждения из паровой фазы присутствует множество пор, трещин и столбчатых структур, которые обеспечивают пути проникновения расплавов солей в толщу теплозащитного покрытия. Проникновение расплавов солей может вызвать деградацию слоя термически выращенных оксидов, как следствие происходит разрушение теплозащитного покрытия в результате ускоренного утолщения и отслоения слоя термически выращенных оксидов.

К настоящему времени накоплен чрезвычайно ограниченный объем данных по высокотемпературной коррозии LTA-покрытий. Для практического применения LTA-керамики при формировании теплозащитных покрытий чрезвычайно важно исследовать высокотемпературную коррозию и соответствующий механизм разрушения теплозащитных покрытий. В данном отчете представлены результаты исследования высокотемпературной коррозии LTA/YSZ теплозащитного покрытия на подложке из никелевого жаропрочного сплава К3, покрытие получено методом атмосферного плазменного напыления. Для исследования высокотемпературной коррозии на поверхности теплозащитного покрытия формируется пленка Na2SO4 или NaCl.