UA74149C2 - method fOR formING thermal barrier coating (VARIANTS) and thermal barrier coating - Google Patents
method fOR formING thermal barrier coating (VARIANTS) and thermal barrier coating Download PDFInfo
- Publication number
- UA74149C2 UA74149C2 UA2002010240A UA200210240A UA74149C2 UA 74149 C2 UA74149 C2 UA 74149C2 UA 2002010240 A UA2002010240 A UA 2002010240A UA 200210240 A UA200210240 A UA 200210240A UA 74149 C2 UA74149 C2 UA 74149C2
- Authority
- UA
- Ukraine
- Prior art keywords
- coating
- thermal barrier
- carbon
- pores
- gas
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 73
- 239000012720 thermal barrier coating Substances 0.000 title claims abstract description 17
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 77
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 68
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 55
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 21
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 76
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 65
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 57
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 37
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 19
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 14
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims description 13
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 11
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 9
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 claims description 9
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N Sulphur dioxide Chemical compound O=S=O RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 7
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims description 7
- 239000012774 insulation material Substances 0.000 claims description 7
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 6
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims description 6
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims description 6
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 claims description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 claims description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 2
- 238000010549 co-Evaporation Methods 0.000 claims 1
- 230000008719 thickening Effects 0.000 claims 1
- 230000012010 growth Effects 0.000 abstract description 7
- 238000004581 coalescence Methods 0.000 abstract description 4
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 abstract description 4
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 abstract description 4
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 abstract 1
- 102100033073 Polypyrimidine tract-binding protein 1 Human genes 0.000 description 120
- 230000008569 process Effects 0.000 description 14
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 10
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 8
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 6
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 6
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 6
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 6
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 6
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 5
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 5
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 5
- 229910000951 Aluminide Inorganic materials 0.000 description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 4
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 4
- 238000002294 plasma sputter deposition Methods 0.000 description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 4
- 229910026551 ZrC Inorganic materials 0.000 description 3
- OTCHGXYCWNXDOA-UHFFFAOYSA-N [C].[Zr] Chemical compound [C].[Zr] OTCHGXYCWNXDOA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 241001653180 Natada Species 0.000 description 2
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- -1 carbide Chemical class 0.000 description 2
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 2
- 150000001722 carbon compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 2
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 2
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 2
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N Raney nickel Chemical compound [Al].[Ni] NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000031018 biological processes and functions Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 238000005255 carburizing Methods 0.000 description 1
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 description 1
- 229910000420 cerium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000975 co-precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 238000007596 consolidation process Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 1
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- JAGQSESDQXCFCH-UHFFFAOYSA-N methane;molybdenum Chemical compound C.[Mo].[Mo] JAGQSESDQXCFCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NFFIWVVINABMKP-UHFFFAOYSA-N methylidynetantalum Chemical compound [Ta]#C NFFIWVVINABMKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 1
- BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoceriooxy)cerium Chemical compound [Ce]=O.O=[Ce]=O BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);yttrium(3+) Chemical class [O-2].[O-2].[O-2].[Y+3].[Y+3] RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- TUVUQOOZTOSTHY-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(2+) Chemical compound [O-2].[Zr+2] TUVUQOOZTOSTHY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 1
- HYXGAEYDKFCVMU-UHFFFAOYSA-N scandium oxide Chemical compound O=[Sc]O[Sc]=O HYXGAEYDKFCVMU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000034655 secondary growth Effects 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 229910003468 tantalcarbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Опис винаходуDescription of the invention
Описаний тут винахід був зроблений в ході виконання чи за контрактом або субдоговором в його рамках (чи 2 грантом) з Міністерством військово-морських сил.The invention described herein was made in performance of, or under contract or subcontract under (or 2 grant from) the Department of the Navy.
Даний винахід стосується теплоізоляційних покриттів для компонентів, які зазнають дії високих температур, таких як агресивне теплове середовище газотурбінного двигуна. Більш конкретно, даний винахід стосується способу стабілізації мікроструктури покриття для створення теплового бар'єру (ПТБ) шляхом співосадження елементарного карбону для створення додаткової тонкодисперсної стабільної пористості у ПТБ, що приводить 70 до нижчої теплопровідності та більшої стійкості до погіршення ізоляційних властивостей під час перевищення розрахункового температурного режиму.The present invention relates to thermal insulation coatings for components exposed to high temperatures, such as the aggressive thermal environment of a gas turbine engine. More specifically, the present invention relates to a method of stabilizing the microstructure of a coating to create a thermal barrier (TPB) by co-precipitation of elemental carbon to create additional finely dispersed stable porosity in the PTB, which leads 70 to lower thermal conductivity and greater resistance to deterioration of insulating properties when exceeding the calculated temperature regime
Існує постійне прагнення до підвищення робочої температури газотурбінних двигунів з метою підвищення їх ефективності. Однак з підвищенням робочих температур має відповідно зростати високотемпературна стійкість компонентів, які знаходяться на шляху гарячих газів у двигуні. Істотне поліпшення високотемпературних 12 характеристик було досягнуто завдяки створенню надміцних сплавів (суперсплавів) на основі нікелю та кобальту. Проте, при використанні для виготовлення компонентів турбіни секцій камери згоряння та форсажної камери газотурбінного двигуна лише такі сплави часто є сприйнятливими до пошкодження внаслідок оксидації та вісокотемпературної корозії, і тому не можуть зберігати достатні механічні властивості. З цієї причини такі компоненти часто захищають за допомогою системи покриття для створення теплового бартеру (ПТБ). СистемиThere is a constant desire to increase the operating temperature of gas turbine engines in order to increase their efficiency. However, as operating temperatures increase, the high-temperature resistance of components that are in the path of hot gases in the engine should increase accordingly. A significant improvement in high-temperature 12 characteristics was achieved thanks to the creation of high-strength alloys (superalloys) based on nickel and cobalt. However, when used for the manufacture of turbine components of the combustion chamber and afterburner sections of a gas turbine engine, only such alloys are often susceptible to damage due to oxidation and high temperature corrosion, and therefore cannot retain sufficient mechanical properties. For this reason, such components are often protected by a coating system to create a thermal exchange (TPB). Systems
ПТБ типово включають сполучний шар для захисту від середовища та теплоізоляційне керамічне покриття, яке звичайно називають ПТБ. Матеріали сполучного покриття, які широко використовуються в системах ПТБ, включають стійкі до оксидації зовнішні покриття, такі як МСГАЇХ (де М позначає ферум, кобальт та/або нікол, аPTBs typically include a bonding layer for environmental protection and a thermally insulating ceramic coating, commonly referred to as PTB. Bond coating materials widely used in PTB systems include oxidation-resistant outer coatings such as MSGAIH (where M stands for ferrum, cobalt, and/or nickel, and
Х позначає ітрій чи інший рідкісноземельний елемент) та стійкі до оксидації дифузійні покриття, такі як дифузійні алюмініди, які містять нікол-алюмінієві (МіАї) інтерметалічні сполуки. сX stands for yttrium or other rare earth element) and oxidation-resistant diffusion coatings, such as diffusion aluminides, which contain nickel-aluminum (MiAl) intermetallic compounds. with
Керамічні матеріали і, зокрема, бінарний оксид цирконію, стабілізований оксидом ітрію (УЗ2), широко (39 використовуються як матеріали ПТБ внаслідок їх високої теплоємності, низької теплопровідності та відносної зручності нанесення методами плазмового напилення, газополуменевого напилення та конденсації з парової фази (РМО). У процесах плазмового напилення матеріал покриття має звичайно форму порошку, який розплавляється плазмою на виході з розпилювача. В результаті нанесене плазмовим напиленням ПТБ, що о складається з послідовно нанесених розплавлених "ляпок"' і має мікроструктуру, яка характеризується «Її розплюснутими зернами неправильної форми з певним ступенем неоднорідності та пористості. ПТБ, що використовуються на ділянках найвищої температури газотурбінних двигунів, часто наносять методом -- електронно-променевої конденсації з парової фази (ЕВРМО), який дає стовпчасту, стійку до напруження зернову -«ф структуру, здатну розширюватись та стискуватись без виникнення ушкоджуючих напружень, що призводять до 3о розтріскування. Аналогічні стовпчасті мікроструктури можуть бути одержані з використанням інших атомних та в молекулярних процесів у паровій фазі, таких як розпилювання (наприклад, при високому чи низькому тиску, зі стандартним чи колімрваним факелом), іонно-плазмове осадження, та усі форми процесів нанесення з розплавленням та осадженням з парової фази (наприклад, катодна дуга, лазерне розплавлення і т.п.). «Ceramic materials and, in particular, binary zirconium oxide stabilized by yttrium oxide (UZ2) are widely (39) used as PTB materials due to their high heat capacity, low thermal conductivity, and relative ease of application by plasma sputtering, gas flame sputtering, and vapor phase condensation (VPS) methods. In plasma spraying processes, the coating material is usually in the form of a powder, which is melted by the plasma at the exit from the atomizer. The result is a plasma-sprayed PTB consisting of successively applied molten "blobs" and has a microstructure characterized by "its flattened grains of irregular shape with with a certain degree of heterogeneity and porosity. PTBs used in the highest temperature areas of gas turbine engines are often deposited by electron beam condensation from the vapor phase (EBRMO), which produces a columnar, stress-resistant grain structure capable of expansion and contraction without causing damage to springs, leading to 3o cracking. Similar columnar microstructures can be produced using other atomic and molecular processes in the vapor phase, such as sputtering (e.g., at high or low pressure, with a standard or collimated torch), ion plasma deposition, and all forms of melt deposition processes and deposition from the vapor phase (for example, cathodic arc, laser melting, etc.). "
Для того, щоб ПТБ залишалося ефективним протягом запланованого життєвого циклу компонента, який воно З 50 захищає, важливо, щоб ПТБ мало та зберігало низьку теплопровідність на протязі життя компонента, включаючи с періоди перевищення розрахункового температурного режиму. Однак відомо, що теплопровідність матеріалівIn order for the PTB to remain effective throughout the planned life cycle of the component it C 50 protects, it is important that the PTB has and maintains low thermal conductivity throughout the life of the component, including periods of exceeding the design temperature regime. However, it is known that the thermal conductivity of materials
Із» ПТБ, таких як У57, підвищується з часом під впливом робочого середовища газотурбінного двигуна. В результатіИз» PTB, such as U57, increases over time under the influence of the working environment of the gas turbine engine. As a result
ПТБ для компонентів газотурбінного двигуна часто наносять з більшою товщиною, ніж це було б потрібним в іншому випадку. За іншим варіантом компоненти з внутрішнім охолодженням, такі як лопаті та сопла, повинні бути розраховані на більший потік охолоджувача. Обидва ці рішення є небажаними з причин, пов'язаних з 7 витратами, терміном життя компонента та ефективністю двигуна. В результаті, як можна зрозуміти, бажано «» подальші удосконалення в технології ПТБ, зокрема, тому, що ПТБ використовуються для теплоізоляції компонентів, призначених для двигунів більш вибагливої конструкції. - Патент США Мо 5906895 на ім'я Натада еї аЇ. розкриває спосіб інгібування погіршення теплових «їз» 20 властивостей ПТБ шляхом пригнічення механізму реакційного спікання, що, як стверджується, відбувається вPTB for gas turbine engine components is often applied at a greater thickness than would otherwise be necessary. Alternatively, internally cooled components such as blades and nozzles must be designed for higher coolant flow. Both of these solutions are undesirable for reasons related to 7 costs, component life, and engine efficiency. As a result, as can be understood, further improvements in PTB technology are desirable, in particular, because PTBs are used for thermal insulation of components intended for engines of more demanding construction. - US Patent No. 5906895 in the name of Natada. reveals a method of inhibiting the deterioration of the thermal "ride" 20 properties of PTB by inhibiting the reaction sintering mechanism, which, it is claimed, occurs in
ПТБ при високих температурах. У Натада еї аЇ. говориться про те, що до ПТБ з У57, нанесеного методом с плазмового напилення, вводиться високотемпературна сполука (така як карбід, нітрид чи інший високотемпературний матеріал). У відповідності до трьох методик плазмового напилення, описаних Натада еї аі., високотемпературна сполука, певно, має форму ляпок, розподілених усередині ПТБ у результаті процесу 22 плазмового напилення. Згідно з четвертою методикою, описаною Натада еї аіІ., плазмово-напилений ПТБPTB at high temperatures. At Natad she has a son. states that a high-temperature compound (such as carbide, nitride, or other high-temperature material) is introduced into the U57 PTB deposited by the plasma sputtering method. According to the three methods of plasma sputtering described by Natada et al., the high-temperature compound probably has the form of lumps distributed inside the PTB as a result of the plasma sputtering process 22. According to the fourth method described by Natada et al., plasma-sprayed PTB
ГФ) просочують газоподібними вихідними матеріалами для одержання високотемпературної сполуки, які, певно, утворюють покриття зі сполуки на міжляпкових межах пористого ПТБ. Після такої обробки залишки газоподібних о вихідних матеріалів природно виходять з ПТБ по тих самих проходах, по яких газ проникав до ПТБ. В кожному способі, як стверджується, високотемпературна сполука пригнічує реакційне спікання ПТБ з У57 за якимось 60 механізмом, що не роз'яснюється.HF) are impregnated with gaseous starting materials to obtain a high-temperature compound, which probably form a coating of the compound on the inter-blob boundaries of the porous PTB. After such processing, the remains of gaseous starting materials naturally leave the PTB through the same passages through which the gas entered the PTB. In each method, the high-temperature compound is said to inhibit the reactive sintering of PTB with U57 by some 60 mechanism that is not elucidated.
У переуступленій на користь громадськості патентній заявці США Мо (Мо справи повіреного 13013322 на ім'яIn the publicly assigned US patent application Mo (Attorney's Mo. 13013322 in the name of
Кідпеу еї а). підвищена термостабільність ПТБ досягається шляхом інгібування росту зерен (укрупнення), спікання та перерозподілу пір за розміром (злиття чи укрупнення малих пір з утворенням більших за розміром пір) при перевищенні розрахункового температурного режиму. Згідно з Кідпеу еї аї., опір теплопередачі крізь бо ПТБ визначається частково кількістю мікроструктурних дефектів у зернах ПТБ. Кідпеу еї аі. стверджують, що такі дефекти можуть бути створені шляхом проведення індукованих складом композиції реакцій утворення дефектів та процес-індукованої пористості, причому перші включають вакансії, спричинені необхідністю збереження зарядової нейтральності в іонних твердих речовинах, як у випадку У57, де заміщення оксиду цирконію (2гСб) на оксид ітрію (203) у решітці створює вакансію. З іншого боку, процес-індукована пористість включає пороутворення, яке відбувається під час нанесення покриття, коли компонент повертають відносно джерела нанесення. Найпростішим прикладом є взаємодія парів з поверхнею за механізмами "схід-захід сонця", що спостерігаються при обертанні компоненту під час нанесення ПТБ з парової хмари, такого як нанесення методом РМО, результатом якого є текстурований ріст покриття, в якому відбувається утворення пір між 7/0 стовпчиками, у стовпчиках та між вторинними гілками росту, що знаходяться в стовпчиках.Kidpeu her a). increased thermal stability of PTB is achieved by inhibiting the growth of grains (agglomeration), sintering and redistribution of pores by size (merging or enlargement of small pores with the formation of larger pores) when the calculated temperature regime is exceeded. According to Kidpeu et al., the heat transfer resistance through PTB is partially determined by the number of microstructural defects in the PTB grains. Kidpeu ei ai. claim that such defects can be created by carrying out composition-induced reactions of defect formation and process-induced porosity, and the former include vacancies caused by the need to maintain charge neutrality in ionic solids, as in the case of U57, where the substitution of zirconium oxide (2gSb) for yttrium oxide (203) in the lattice creates a vacancy. On the other hand, process-induced porosity involves the pore formation that occurs during coating application when the component is rotated relative to the application source. The simplest example is the interaction of vapors with the surface by the "sunrise-sunset" mechanisms observed when rotating the component during vapor cloud PTB deposition, such as RMO deposition, which results in textured growth of the coating, in which pores are formed between 7/ 0 columns, in columns and between secondary growth branches located in columns.
Кідпеу еї аЇ. описують методику, яка дозволяє зберігти у ПТБ процес-індуковану пористість шляхом введення до мікроструктури ПТБ високодисперсних дрібнокристалічних речовин. Конкретніше, Кідпеу еї а). стверджують, що обмежена кількість високодисперсного карбідного та/або нітридного дрібнокристалічного матеріалу, утвореного на місцях дефектів, пір та міжзеренних меж мікроструктури ПТБ, дозволяє зафіксувати міжзеренні /5 межі ПТБ та інгібувати спікання, укрупнення зерен та перерозподіл пір за розміром при перевищеннях розрахункового температурного режиму, результатом чого є стабілізація мікроструктури і, отже, теплопровідності ПТБ. Кідпеу еї аІ. стверджують, що придатні методики карбідування/нітридування включають нанесення ПТБ з використанням методу конденсації з парової фази в атмосфері, яка містить пари, гази чи сполуки карбону та/або нітрогену, та/або термообробку у присутності газу, що містить карбон та/або нітроген у вигляді газів чи сполук. На відміну від Натада еї аї., для фіксації міхзеренних меж ПТБ карбідні/нітридні дрібнокристалічні речовини повинні мати вигляд дуже високодисперсних дрібнокристалічних матеріалів.Kidpeu ei aYi. describe a technique that allows you to preserve process-induced porosity in PTB by introducing highly dispersed fine crystalline substances into the microstructure of PTB. More specifically, Kidpeu ei a). claim that a limited amount of highly dispersed carbide and/or nitride fine-crystalline material formed at the sites of defects, pores, and intergranular boundaries of the PTB microstructure allows to fix the intergranular/5 boundaries of the PTB and inhibit sintering, grain coarsening, and redistribution of pores by size when the calculated temperature regime is exceeded, the result of which is the stabilization of the microstructure and, therefore, the thermal conductivity of PTB. Kidpeu her aI. claim that suitable carburizing/nitriding techniques include PTB deposition using a vapor phase condensation method in an atmosphere containing vapors, gases or compounds of carbon and/or nitrogen, and/or heat treatment in the presence of a gas containing carbon and/or nitrogen in in the form of gases or compounds. Contrary to Natad et al., in order to fix the intergrain boundaries of PTB, carbide/nitride fine-crystalline substances must have the form of very highly dispersed fine-crystalline materials.
Хоч введення карбідних/нітридних осадів за Кідпеу еї аі. дозволяє одержати ПТБ з більш стабільними мікроструктурами, були б бажаними подальші удосконалення мікроструктури ПТБ та процесів їх одержання з метою поліпшення термостабільності, що дозволить використовувати тонші ПТБ та/або, якщо це можливо, нижчі сч г Витрати охолоджувального повітря, тим самим зменшуючи технологічні витрати та вартість матеріалів і збільшуючи тривалість життя компонентів та ефективність двигуна. і)Although the introduction of carbide/nitride deposits according to Kidpeu ei ai. allows obtaining PTB with more stable microstructures, it would be desirable to further improve the microstructure of PTB and their production processes in order to improve thermal stability, which will allow the use of thinner PTB and/or, if possible, lower cooling air consumption, thereby reducing technological costs and cost of materials and increasing component life and engine efficiency. and)
Даний винахід загалом пропонує покриття для створення теплового бар'єру (ПТБ) та спосіб формування покриття на компоненті, призначеному для використання в агресивному середовищі, такому як виготовлені з надміцних сплавів компоненти турбіни, камери згоряння та форсажної камери газотурбінного двигуна. Спосіб за Ге!The present invention generally provides a coating for creating a thermal barrier (TPB) and a method of forming the coating on a component intended for use in an aggressive environment, such as the turbine, combustion chamber and afterburner components of a gas turbine engine made of high-strength alloys. The method according to Ge!
Зо Чим винаходом, зокрема, стосується одержання більш стабілізованої мікроструктури ПТБ шляхом інгібування росту зерен, спікання та укрупнення чи злиття пір у ПТБ протягом періодів перевищення розрахункового - температурного режиму. Поліпшення, які забезпечує цей винахід, є особливо очевидними для ПТБ, що мають «- стовпчасту структуру зерен, таких як нанесені методом ЕВРМО та іншими РУО-методиками, хоч винахід можливо застосовувати також для ПТБ, нанесених такими методами, як плазмове напилення. -The invention, in particular, relates to obtaining a more stabilized PTB microstructure by inhibiting grain growth, sintering and coalescence or coalescence of pores in PTB during periods of exceeding the calculated temperature regime. The improvements provided by this invention are particularly evident for PTB having a columnar grain structure, such as deposited by the EVRMO method and other RUO methods, although the invention can also be applied to PTB deposited by methods such as plasma spraying. -
Винахід загалом стосується ПТБ, мікроструктура якого містить елементарний карбон та/або карбонвмісний ї- газ, які збільшують вихідну величину пористості ПТБ і утворюють додаткові дрібні закриті пори у ПТБ під час наступних перевищень розрахункового температурного режиму. Далі винахід охоплює спосіб, за яким дрібнокристалічний матеріал елементарного карбону і, можливо, дрібнокристалічні карбіди вводять шляхом випаровування до мікроструктури ПТБ. Згідно з винаходом, якщо елементарний карбон наносять « бпівосадженням методом ЕВРМО з теплоізоляційним матеріалом ПТБ, усередині ПТБ утворюються з с високодисперсні субзернинні мікроструктури, разом з численними дрібними лінійними порами на ділянках відкладання карбонових чи карбідних кластерів. Цю пористість (як відкриту, так і закриту) пояснюють ефектом ;» "екранування", який виникає в результаті процесу ЕВРМУО. Було виявлено, що на цих ділянках утворюється додаткова дрібна та стабільна пористість під час наступних періодів перевищення розрахункового температурного режиму, коли відбувається спікання ПТБ. -І Вважається, що ця додаткова пористість є результатом утворення карбонвмісних газів при розкладі кластерів елементарного карбону (і, можливо, карбідних кластерів) при високих температурах, які як нерозчинні у пи матеріалі ПТБ захоплюються усередині ПТБ внаслідок часткового спікання матеріалу ПТБ, під час якого вихідна - дрібна пористість ПТБ за відомим рівнем техніки часто зникає в результаті процесу укрупнення (злиття) пір. 50р Вважається, що тиск, який захоплений газ чинить на оточуючий матеріал ПТБ, інгібує укрупнення пір та процеси ве перерозподілу у мікроструктурі тому ПТБ зберігає дрібну пористість а мікроструктура ПТБThe invention generally relates to PTB, the microstructure of which contains elemental carbon and/or carbon-containing gas, which increase the initial porosity of PTB and form additional small closed pores in PTB during subsequent excesses of the calculated temperature regime. The invention further encompasses a method by which finely crystalline elemental carbon material and possibly fine crystalline carbides are introduced by evaporation into the PTB microstructure. According to the invention, if elemental carbon is deposited by the EVRMO method with heat-insulating material PTB, highly dispersed subgranular microstructures are formed inside the PTB, together with numerous small linear pores in the areas of deposition of carbon or carbide clusters. This porosity (both open and closed) is explained by the effect;" "shielding" that occurs as a result of the process of ЕВРМУО. It was found that additional small and stable porosity is formed in these areas during subsequent periods of exceeding the calculated temperature regime, when PTB sintering occurs. -I It is believed that this additional porosity is the result of the formation of carbon-containing gases during the decomposition of elemental carbon clusters (and possibly carbide clusters) at high temperatures, which, as insoluble in the PTB material, are trapped inside the PTB due to partial sintering of the PTB material, during which the original - the fine porosity of PTB according to the known state of the art often disappears as a result of the process of coarsening (merging) of the pores. 50p It is believed that the pressure exerted by the captured gas on the surrounding material of PTB inhibits pore enlargement and redistribution processes in the microstructure, therefore PTB maintains fine porosity and the microstructure of PTB
Ге) термостабілізується. Оскільки цей корисний ефект пов'язано із захопленим газом, даний винахід охоплює також процеси, за якими здійснюють пряме включення нерозчинного газу, такого як карбонвмісний газ, до мікроструктури ПТБ, а потім навмисно частково спікають ПТБ для захоплення газу та створення дрібної стабільної пористості усередині ПТБ.Ge) is thermostabilized. Since this beneficial effect is due to entrapped gas, the present invention also encompasses processes that directly incorporate an insoluble gas, such as carbonaceous gas, into the PTB microstructure, and then intentionally partially sinter the PTB to entrap the gas and create fine, stable porosity within the PTB .
З урахуванням вищезазначеного додаткова дрібна пористість, навіть як прямий результат спікання, яке (Ф) звичайно пов'язане з підвищенням теплопровідності, створюється способами за даним винаходом для протидії ка небажаним ефектам спікання, тим самим зберігаючи і, потенційно, збільшуючи пористість для збереження чи зниження теплопровідності ПТБ. В результаті, можуть бути спроектовані компоненти, розраховані на тонкіше во ПТБ та/або, якщо можливо, меншу витрату охолоджувального повітря, тим самим зменшуючи технологічні витрати та вартість матеріалів і збільшуючи тривалість життя компонентів та ефективність двигуна.In view of the above, additional fine porosity, even as a direct result of sintering, which (F) is usually associated with increased thermal conductivity, is created by the methods of the present invention to counteract the undesirable effects of sintering, thereby maintaining and potentially increasing porosity to maintain or reduce thermal conductivity of PTB. As a result, components can be designed with thinner PTB and/or, if possible, lower cooling air consumption, thereby reducing process costs and material costs and increasing component life and engine efficiency.
Інші цілі та переваги даного винаходу будуть зрозумілішими з наведеного далі детального опису.Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description.
Фігура 1 є перспективним видом лопаті турбіни високого тиску.Figure 1 is a perspective view of a high-pressure turbine blade.
Фігура 2 схематично зображує поперечний розріз лопаті за Фігурою 1 вздовж лінії 2-2 і показує систему 65 покриття для створення теплового бар'єру на лопаті за даним винаходом.Figure 2 is a schematic cross-sectional view of the blade of Figure 1 along line 2-2 and shows a coating system 65 for creating a thermal barrier on the blade of the present invention.
Фігури З та 4 є мікрофотографіями покриттів для створення теплового бар'єру, нанесених згідно з даним винаходом та за відомим рівнем техніки, відповідно, у тому стані, який вони мають безпосередньо після нанесення.Figures 3 and 4 are photomicrographs of thermal barrier coatings applied in accordance with the present invention and the prior art, respectively, as they are immediately after application.
Фігури 5 та 6 є мікрофотографіями покриттів для створення термічного бар'єру за Фігурами 3 та 4, відповідно, після термообробки при приблизно 12002 протягом приблизно 2 годин.Figures 5 and 6 are photomicrographs of the thermal barrier coatings of Figures 3 and 4, respectively, after heat treatment at about 12,002 for about 2 hours.
Фігури 7 та 8 є графіками, що порівнюють теплопровідності та густини, відповідно, покриттів для створення теплового бар'єру, одержаних за відомим рівнем техніки та за даним винаходом.Figures 7 and 8 are graphs comparing the thermal conductivities and densities, respectively, of thermal barrier coatings obtained by the prior art and the present invention.
Даний винахід загалом стосується компонентів, які зазнають дії високих температур, зокрема, таких компонентів, як сопла та лопаті турбін високого та низького тиску, бандажі, футеровка камери згоряння та 7/0 обладнання форсажної камери газотурбінних двигунів. Приклад лопаті турбіни високого тиску 10 зображено наThe present invention relates generally to components exposed to high temperatures, in particular to components such as high and low pressure turbine nozzles and blades, casings, combustion chamber linings and 7/0 afterburner equipment of gas turbine engines. An example of a high-pressure turbine blade 10 is shown in Fig
Фігурі 1. Лопать 10 загалом включає аеродинамічну поверхню 12, на яку спрямовані гарячі гази згоряння під час роботи газотурбінного двигуна і поверхня якої зазнає тому дії гарячих газів згоряння, а також дії оксидації, корозії та ерозії. Аеродинамічна поверхня 12 захищена від агресивного робочого середовища системою покриття для створення теплового бар'єру (ПТБ), яку схематично зображено на Фігурі 2. Аеродинамічна 75 поверхня 12 закріплена на диску турбіни (не зображений) за допомогою з'єднання ластівчиним хвостом, утвореним у кореневій ділянці 16 лопаті 10. У аеродинамічній поверхні 12 є канали охолодження 18, крізь які пропускають стравлюване повітря для відбору тепла від лопаті 10. Хоч переваги даного винаходу будуть описані з посиланням на лопать турбіни високого тиску 10, зображену на Фігурі 1, методи даного винаходу загалом застосовні до будь-якого компонента, на якому може бути використане покриття для створення теплового бар'єру для захисту компонента від високотемпературного середовища.Figure 1. The blade 10 generally includes an aerodynamic surface 12 to which the hot combustion gases are directed during the operation of the gas turbine engine and the surface of which is therefore subjected to the action of the hot combustion gases, as well as the action of oxidation, corrosion and erosion. The aerodynamic surface 12 is protected from the aggressive operating environment by a coating system for creating a thermal barrier (TPB), which is schematically depicted in Figure 2. The aerodynamic surface 75 12 is fixed to the turbine disk (not shown) by means of a dovetail connection formed in the root area 16 of the blade 10. The aerodynamic surface 12 has cooling channels 18 through which exhaust air is passed to remove heat from the blade 10. Although the advantages of the present invention will be described with reference to the high pressure turbine blade 10 shown in Figure 1, the methods of the present invention in general applicable to any component on which a coating may be used to create a thermal barrier to protect the component from a high temperature environment.
Система ПТБ 20, представлена на Фігурі 2, включає металеве сполучне покриття 24, нанесене на поверхню субстрату 22, який типово є надміцним сплавом та основним матеріалом лопаті 10. В системах ПТБ, призначених для компонентів газотурбінних двигунів, сполучне покриття 24 типово є композицією з високим вмістом алюмінію, такою як зовнішнє покриття з МСгГАІХ-сплаву, чи дифузійним покриттям, таким як дифузійний с алюмінід чи дифузійний платинований алюмінід типу, відомого фахівцям. Збагачені на алюміній сполучні покриття цього типу утворюють плівку оксиду алюмінію 28, яка виникає внаслідок оксидації сполучного покриття о 24. Плівка оксиду алюмінію утворює хімічний зв'язок між теплоізоляційним матеріалом чи ПТБ 26 і сполучним покриттям 24 та субстратом 22. ПТБ 26 на Фігурі 2 зображене як таке, що має стійку до напружень мікроструктуру стовпчастих зерен 30. Як відомо фахівцям, такі стовпчасті мікроструктури можуть бути одержані ду шляхом нанесення ПТБ 26 з використанням методики конденсації з парової фази, такої як ЕВРМО. Хоч значна частина наведеного далі дослідження буде зосереджена на стовпчастому ПТБ типу, представленого на Фігурі 2, - вважаєтьтся, що даний винахід може бути також застосовано до нестовпчастих ПТБ, нанесених такими «- способами, як плазмове напилення, включаючи напилення повітряною плазмою (АРБЗ). ПТБ цього типу має форму розплавлених "ляпок"», в результаті чого утворюється мікроструктура, яка характеризується в розплюснутими зернами неправильної форми та певним ступенем неоднорідності та пористості. ї-The PTB system 20 shown in Figure 2 includes a metal bonding coating 24 deposited on the surface of a substrate 22, which is typically a super-strength alloy and the base material of the blade 10. In PTB systems intended for gas turbine engine components, the bonding coating 24 is typically a composition with a high aluminum content, such as an outer coating of MSgGAIX-alloy, or a diffusion coating, such as diffusion c aluminide or diffusion platinized aluminide of the type known to specialists. Aluminum-enriched bonding coatings of this type form an aluminum oxide film 28, which results from the oxidation of the bonding coating by 24. The aluminum oxide film forms a chemical bond between the insulating material or PTB 26 and the bonding coating 24 and the substrate 22. The PTB 26 in Figure 2 is depicted as having a stress-resistant microstructure of columnar grains 30. As known to those skilled in the art, such columnar microstructures can be obtained by depositing PTB 26 using a vapor phase condensation technique such as EVRMO. Although much of the following research will be focused on columnar PTB of the type shown in Figure 2, it is believed that the present invention may also be applied to non-columnar PTB deposited by such methods as plasma spraying, including air plasma spraying (APR). PTB of this type has the form of molten "blobs", as a result of which a microstructure is formed, which is characterized by flattened grains of irregular shape and a certain degree of heterogeneity and porosity. uh-
Кращий теплоізоляційний матеріал для ПТБ 26 основано на бінарній суміші оксиду цирконію, стабілізованого оксидом ітрію (57), зокрема, на оксиді цирконію, частково стабілізованим оксидом ітрію. За даним винаходом можуть бути також використані інші керамічні матеріали, такі як оксид цирконію, повністю стабілізований оксидом ітрію, або оксид цирконію, частково чи повністю стабілізований оксидом церію, оксидом магнію, оксидом « скандію та/або іншими оксидами. За одним з аспектів даного винаходу особливо придатним матеріаломдля ПТБ (- с є У57, який містить приблизно від 4 до 8 масових відсотків оксиду ітрію. ПТБ 26 наносять з товщиною, й достатньою для забезпечення бажаного теплового захисту субстрату основи 22 та лопаті 10, звичайно від «» приблизно 75 до приблизно 300 мікрометрів.The best thermal insulation material for PTB 26 is based on a binary mixture of zirconium oxide stabilized by yttrium oxide (57), in particular, on zirconium oxide partially stabilized by yttrium oxide. According to the present invention, other ceramic materials can also be used, such as zirconium oxide, fully stabilized by yttrium oxide, or zirconium oxide, partially or completely stabilized by cerium oxide, magnesium oxide, scandium oxide, and/or other oxides. According to one aspect of the present invention, a particularly suitable material for PTB (-c) is U57, which contains approximately 4 to 8 mass percent yttrium oxide. PTB 26 is applied with a thickness sufficient to provide the desired thermal protection of the base substrate 22 and blade 10, usually from "" about 75 to about 300 micrometers.
В результаті процесів, якими наноситься ПТБ 26 окремі зерна 30 ПТБ 26 характеризуються Мікроструктурними дефектами та порами 32 усередині зерен 30 і на міжзеренних межах та поміж ними. -і Вважається, що дефекти та пори зменшують теплопровідність зерна ЗО ПТБ і, отже, ПТБ 26 у цілому. Другим аспектом винаходу є збереження чи збільшення величини пористості у мікроструктурі ПТБ та стабілізація ть мікроструктури ПТБ під час перевищення розрахункового температурного режиму, яке інакше спричинює ріст - зерен (укрупнення), спікання та перорозподіл пір за розміром, приводячи до укрупнення та/або зникнення дефектів та пір 32, наявність яких є бажаною. Обидва ці аспекти можуть бути досягнуті за даним винаходом шк шляхом співнанесення елементарного карбону в процесі нанесення покриття. Згідно з винаходом, збільшенаAs a result of the processes by which the PTB 26 is applied, individual grains 30 of the PTB 26 are characterized by microstructural defects and pores 32 inside the grains 30 and at the grain boundaries and between them. -i Defects and pores are believed to reduce the thermal conductivity of the ZO PTB grain and, therefore, PTB 26 as a whole. The second aspect of the invention is to preserve or increase the amount of porosity in the PTB microstructure and stabilize the PTB microstructure when the calculated temperature regime is exceeded, which otherwise causes grain growth (coarsening), sintering and redistribution of pores by size, leading to the consolidation and/or disappearance of defects and pores 32, the presence of which is desirable. Both of these aspects can be achieved according to the present invention by co-depositing elemental carbon in the coating process. According to the invention, increased
Ге) величина дрібної відкритої пористості може бути створена у ПТБ 26 в процесі його нанесення шляхом співнанесення елементарного карбону та ізоляційного матеріалу (наприклад, 57) ПТБ 26, причому під час наступної дії високих температур утворюється додаткова дрібна пористість внаслідок виділення нерозчинних Ккарбонвмісних газів з карбону, які потім захоплюються усередині ПТБ 26 в результаті часткового спікання ПТБ 26. За іншим варіантом другий аспект може бути здійснені шляхом прямого введення нерозчинного газу до ПТБ (Ф, 26 методом просочування, а потім часткового спікання ПТБ 26 для захоплення введеного газу. ко Кращим способом співнанесення карбону та теплоізоляційного матеріалу ПТБ 26 є випаровування одного чи кількох зливків теплоізоляційного матеріалу і карбону та/або сполуки карбону. Прикладом придатного джерела бо карбону є графіт, а придатні сполуки карбону включають карбід цирконію (2гС), карбід титану (ТіС), карбід танталу (Тас) та карбід молібдену (Мо2С). Вважається, що додаткова пористість, яка утворюється при цьому, є результатом ефекту екранування, який спостерігається при нанесенні двох нерозчинних фаз методом ЕВРМО.Ge) the amount of small open porosity can be created in PTB 26 during its application by co-application of elemental carbon and insulating material (for example, 57) of PTB 26, and during the subsequent exposure to high temperatures, additional small porosity is formed due to the release of insoluble carbon-containing gases from carbon, which are then trapped inside the PTB 26 as a result of the partial sintering of the PTB 26. Alternatively, the second aspect can be accomplished by directly injecting an insoluble gas into the PTB (F, 26 by a seepage method and then partially sintering the PTB 26 to capture the injected gas. of carbon and thermal insulation material PTB 26 is the evaporation of one or more ingots of thermal insulation material and carbon and/or a carbon compound. An example of a suitable source of carbon is graphite, and suitable carbon compounds include zirconium carbide (2gS), titanium carbide (TiC), tantalum carbide ( Tas) and molybdenum carbide (Mo2C). It is believed that addn attack porosity, which is formed in this case, is the result of the shielding effect, which is observed when applying two insoluble phases by the EVRMO method.
Більш конкретно, вважається, що "первинна" пористість утворюється навколо осаджуваних кластерів елементарного карбону (і, можливо, кластерів карбідів, оксикарбідів, нітридів і т.п., які усі є нерозчинними 65 В 'У52) під час ЕВРМО в результаті блокування доступу потоку парів оксиду цирконію у безпосередню близькість до кластерів другої фази. Було відзначено, що іншим корисним ефектом співнанесення кластерів карбону (і,More specifically, "primary" porosity is thought to form around precipitated clusters of elemental carbon (and possibly clusters of carbides, oxycarbides, nitrides, etc., all of which are insoluble at 65 V 'U52) during EHRMO as a result of blocking flow access zirconium oxide vapors in close proximity to the clusters of the second phase. It was noted that another beneficial effect of co-application of carbon clusters (and,
можливо, карбідних кластерів) методом ЕВРМО є утворення багатьох додаткових поверхонь розділу, асоційованих із субзеренними межами, можливо, внаслідок причин, пов'язаних, певно, з тим, що присутність карбону промотує нуклеацію нових субзерен та інгібує дифузійні процеси росту зерен. У результаті відбувається постійна нуклеація нових зерен, що приводить до утворення високодисперсної субзернистої структури ПТБ з численними поверхнями розділу, які знижують теплопровідність крізь зерна ПТБ. Рівні відкритої пористості, що спостерігаються в ПТБ, нанесених у відповідності з даним винаходом, значно вищі, ніж для ПТБ на основі 57, нанесених з ідентичного джерела матеріалу 57 (без джерела карбону) за ідентичних умов. Якщо ПТБ на основіpossibly carbide clusters) by the EVRMO method is the formation of many additional interfaces associated with subgrain boundaries, possibly due to reasons connected, probably, to the fact that the presence of carbon promotes the nucleation of new subgrains and inhibits the diffusion processes of grain growth. As a result, there is a constant nucleation of new grains, which leads to the formation of a highly dispersed subgranular PTB structure with numerous interfaces that reduce thermal conductivity through the PTB grains. The levels of open porosity observed in PTBs deposited in accordance with the present invention are significantly higher than those for 57-based PTBs deposited from an identical source of material 57 (without a carbon source) under identical conditions. If PTB is based
У57, що звичайно наносяться методом ЕВРМО, мають рівні відкритої пористості не більш, ніж приблизно 15-20 70 об'ємних відсотків, вважається, що даний винахід дає змогу досягти рівнів відкритої пористості принаймні порядку 25 об'ємних відсотків, а типові рівні відкритої пористості складають від приблизно ЗО до приблизно 35 об'ємних відсотків.U57 commonly deposited by the EVRMO method have open porosity levels of no more than about 15-20 70 volume percent, it is believed that the present invention allows for open porosity levels of at least on the order of 25 volume percent, and typical open porosity levels make up from about 30 to about 35 percent by volume.
Високодисперсна "вторинна" пористість виникає за даним винаходом в результаті здійснення реакції елементарного карбону (і, можливо, карбідів) з киснем з утворенням монооксиду карбону (СО) та/або іншого карбонвмісного газу (наприклад, діоксиду карбону СО») під час перевищення розрахункового температурного режиму (наприклад, вище приблизно 9502). Внаслідок того, що первинна пористість оточує осаджений карбон, існує достатній об'єм пір для виділення карбонвмісних газів з утворенням дуже дрібних пір ("мікропори") усередині ПТБ. По мірі утворення монооксиду карбону та втрати певної частини вихідної первинної пористості в результаті укрупнення пір та їх перерозподілу за розміром під час спікання певна частина монооксиду карбону го захоплюється у мікропорах. Вважається, що захоплений газ протидіє енергії поверхневого натягу, яка є рушійною силою укрупнення (злиття) пір під час спікання. Таким чином, на додаток до зниження густини та теплопровідності ПТБ 26 додаткова дрібна пористість, що може бути створена за даним винаходом, є термостабільною, тобто не сприйнятливою до усадкової деформації.Highly dispersed "secondary" porosity arises according to this invention as a result of the reaction of elemental carbon (and possibly carbides) with oxygen with the formation of carbon monoxide (CO) and/or other carbon-containing gas (for example, carbon dioxide CO") when exceeding the calculated temperature mode (for example, above about 9502). Due to the fact that the primary porosity surrounds the deposited carbon, there is sufficient pore volume for the release of carbon-containing gases with the formation of very small pores ("micropores") within the PTB. As carbon monoxide is formed and a certain part of the original primary porosity is lost as a result of the enlargement of the pores and their redistribution in size during sintering, a certain part of the carbon monoxide is trapped in the micropores. It is believed that the entrapped gas counteracts the surface tension energy, which is the driving force behind the coalescence (merging) of the pores during sintering. Thus, in addition to reducing the density and thermal conductivity of PTB 26, the additional fine porosity that can be created according to this invention is thermostable, that is, not susceptible to shrinkage.
Додаткова пористість може також частково утворюватися за однією чи обома з таких реакцій: с 25-30 исС2со0 2О520- 260 оAdditional porosity can also be partially formed by one or both of the following reactions: с 25-30 иС2со0 2О520- 260 о
Ці реакції, як описано в літературі, відбуваються в інтервалі температур від приблизно 9002С до приблизно 12002С, якщо при цьому підтримується достатньо низький вакуум порядку 10' 4-10"5 тор (приблизно 1,33Хх107-1,33Х10 9 мбар) (оскільки рівноважний тиск монооксиду карбону дуже низький, наприклад, приблизно /-Ф) 107 тор при 8702С). Згідно з цією теорією за таких умов при нанесенні методом ЕВРМО будуть утворюватися « цирконій та карбід цирконію, і навколо цих частинок у результаті ефекту екранування під час процесу ЕВРМО буде утворюватися первинна пористість. При наступному нагріванні буде утворюватися газоподібний монооксид (7 карбону, приводячи до утворення нової вторинної пористості усередині ПТБ 26 на його зерен 30, а також «І монооксид карбону (та/або діоксид карбону чи інший карбонвмісний газ), захоплений в мікропорах, які є 32 залишками вихідної первинної пористості. Потенційними побічними продуктами вказаних вище реакцій є також в карбіди (наприклад, 27) та оксикарбіди (наприклад, 2гО,Су), які можуть сприяти стабілізації мікропористої структури ПТБ 26 шляхом закріплення та зміцнення міжзеренних меж та пір 32 ПТБ 26.These reactions, as described in the literature, take place in the temperature range from about 9002С to about 12002С, if at the same time a sufficiently low vacuum of the order of 10' 4-10"5 torr (about 1.33Хх107-1.33Х10 9 mbar) is maintained (since the equilibrium the carbon monoxide pressure is very low, e.g., about /-F) 107 torr at 8702C).According to this theory, under such conditions, zirconium and zirconium carbide will form in and around these particles as a result of the shielding effect during the EVRMO process. primary porosity will be formed. Upon subsequent heating, gaseous carbon monoxide (7) will be formed, leading to the formation of new secondary porosity inside the PTB 26 on its grains 30, as well as "And carbon monoxide (and/or carbon dioxide or other carbon-containing gas) trapped in micropores, which are remnants of the original primary porosity 32. Potential byproducts of the above reactions are also carbides (e.g. 27) and oxycarbides (e.g. e, 2gO, Su), which can contribute to the stabilization of the microporous structure of PTB 26 by fixing and strengthening intergrain boundaries and pores 32 of PTB 26.
Як було вказано раніше, принаймні деякі з корисних ефектів, що можуть бути досягнуті за даним винаходом, « можуть бути також одержані шляхом прямого введення нерозчинного газу до ПТБ 26, а потім часткового З спікання ПТБ 26 для захоплення газу та утворення дрібної стабільної вторинної пористості усередині ПТБ 26. с Придатні для цього гази включають монооксид карбону, діоксид карбону, діоксид сульфуру, азот та аргон, якіAs indicated earlier, at least some of the beneficial effects that can be achieved by the present invention "can also be obtained by directly injecting an insoluble gas into the PTB 26 and then partially sintering the PTB 26 to trap the gas and form a fine, stable secondary porosity within PTB 26. c Suitable gases include carbon monoxide, carbon dioxide, sulfur dioxide, nitrogen and argon, which
Із» можуть бути введені в ПТБ 26 під час нанесення ПТБ 26 або в результаті обробки після нанесення. В будь-якому випадку має бути проведена стадія навмисного нагрівання для проведення принаймні часткового спікання ПТБ 26 з метою закриття відкритої пористості, яка дала змогу газу проникнути до ПТБ 26, тим самим запобігаючи виходу газу. Наприклад, в процесі обробки після нанесення ПТБ 26 може бути поміщене в камеру під вакуумом, і після чого в камеру подають нерозчинний газ для заповнення відкритої пористості ПТБ 26. Потім пористість «» закривають шляхом нагрівання ПТБ 26 (краще в атмосфері нерозчинного газу) до температури приблизно 95020 з чи більше для ПТБ з У57. Після закриття пори, що містять газ, будуть стабілізовані проти подальшого ущільнення тиском захопленого нерозчинного газу. т» 50 Хоч наведене вище обговорення стосується насамперед стовпчастого ПТБ типу, зображеного на Фігурі 2, корисні ефекти винаходу можуть бути також досягнуті при використанні нестовпчастих ПТБ, нанесених такими шо методами, як плазмове напилення. Як згадувалось раніше, нанесений плазмовим напиленням ПТБ утворено з розплавлених "ляпок", внаслідок чого зерниста структура характеризується сплощеними зернами неправильної форми, оточеними неоднорідною пористістю. За даним винаходом можна зберігати ефективну величину 99 пористості для стабілізації мікроструктури ПТБ під час перевищення розрахункового температурного режимуIz" can be introduced into PTB 26 during application of PTB 26 or as a result of processing after application. In any case, a deliberate heating step must be performed to effect at least partial sintering of the PTB 26 in order to close the open porosity that allowed the gas to enter the PTB 26, thereby preventing gas escape. For example, in the post-coating process, the PTB 26 may be placed in a chamber under vacuum, and then an insoluble gas is supplied to the chamber to fill the open porosity of the PTB 26. The "" porosity is then closed by heating the PTB 26 (preferably in an insoluble gas atmosphere) to a temperature about 95020 with or more for PTB with U57. Once closed, the gas-containing pores will be stabilized against further compaction by the pressure of trapped insoluble gas. Although the above discussion relates primarily to columnar PTBs of the type depicted in Figure 2, the beneficial effects of the invention may also be achieved using non-columnar PTBs deposited by methods such as plasma spraying. As mentioned earlier, PTB applied by plasma spraying is formed from molten "blobs", as a result of which the granular structure is characterized by flattened irregularly shaped grains surrounded by heterogeneous porosity. According to this invention, it is possible to maintain an effective value of 99 porosity to stabilize the PTB microstructure when exceeding the calculated temperature regime
ГФ) шляхом співнанесення порошків елементарного карбону чи сполук на основі карбону та матеріалу ПТБ, т наприклад, шляхом одночасного напилення порошків графіту та 57 або напилення порошку У57 з графітовим покриттям. При наступній термічній обробці, достатній для часткового спікання ПТБ, буде виділятись карбонвмісний газ, а частина існуючої відкритої пористості закривається. За іншим варіантом нерозчинний газ 60 може бути введено безпосередньо до ПТБ 26 в процесі обробки після нанесення, як описано вище. В будь-якому випадку процес та результат відрізняються від тих, що забезпечуються патентом США Мо 5906895 на ім'яHF) by co-application of elemental carbon powders or compounds based on carbon and PTB material, for example, by simultaneous spraying of graphite and 57 powders or spraying of U57 powder with a graphite coating. During subsequent heat treatment, sufficient for partial sintering of PTB, carbon-containing gas will be released, and part of the existing open porosity will be closed. Alternatively, the insoluble gas 60 may be introduced directly into the PTB 26 in the post-coating process as described above. In any event, the process and result are different from those provided by US Pat. No. 5,906,895 to
Натадіа еї аї., у якому Натада еї а). описують створення нанесеного плазмовим напиленням ПТБ, яке чи то містить "ляпки" карбідів або іншої високотемпературної сполуки, чи то просочується газоподібними вихідними матеріалами для утворення карбідного покриття (чи покриття з іншої високотемпературної сполуки) на 62 міжляпкових межах ПТБ. Жодне з цих ПТБ не може містити захоплений газ внаслідок відкритого характеру пір нанесеного плазмовим напиленням ПТБ.Natadia ei ai., in which Natada ei a). describe the creation of a plasma-sprayed PTB that either contains "blobs" of carbides or another high-temperature compound, or is permeated with gaseous source materials to form a carbide coating (or a coating of another high-temperature compound) on 62 interblob boundaries of the PTB. None of these PTBs can contain trapped gas due to the open pore nature of plasma sprayed PTBs.
В ході досліджень, що привели до цього винаходу, ПТБ з 57 наносили методом ЕВРМО на зразки, виготовлені з суперсплаву Кепе М5, на які було нанесене сполучне покриття алюмініду платини (РІАЇ). На деякіIn the course of research that led to the present invention, PTB with 57 was applied by the EVRMO method to samples made of Kepe M5 superalloy, which were coated with a bonding coating of platinum aluminide (PIAI). For some
Зразки покриття наносили шляхом випаровування окремих зливків графіту та 790752 (оксид цирконію, стабілізований приблизно 7 90 мас. оксиду ітрію). Графітові зливки включали вольфрамовий ковпачок, який під час ЕВРМО утворює розплавлену поверхневу лунку, крізь яку випаровується карбон, згідно з патентом США Мо 5296274, виданим на ім'я Моуспап еї а). Аналогічно до процесів ЕВРМО за відомим рівнем техніки зразки завантажують до камери для нанесення покриття таким чином, щоб вони утримувались над зливками, і камери 70 відкачують до одержання неповного вакуума від приблизно 4,7х10 7 до приблизно 6,6х107 тор (від приблизно 0,8х107 до приблизно 8,8х107 мбар). Потім зразки нагрівають до температури в інтервалі приблизно 900-10002С і при обертанні зразків зі швидкістю приблизно 25 об/хв використовують дві електронно-променеві пушки, що працюють на рівнях потужності приблизно 19,5 кВт та 23 кВт, щоб спрямувати електронні пучки на зливки У57 та графіту, відповідно, та розплавити поверхню зливків для утворення парової хмари, яка містить 75 оксид цирконію, моно оксид цирконію, цирконій, ітрій, оксид ітрію, оксиди ітрію з нижчими ступенями окислення, кисень та карбон. Пари наносять (конденсують) на поверхні зразків з утворенням ПТБ, товщина яких становить приблизно 150 мікрометрів. Кожне з одержаних покриттів (далі позначається як 796752) містить дисперсію карбону (твердий графіт) і, можливо, карбіду цирконію, що накопичувались навколо дефектів, пір та субзерен (поверхні розділу усередині зерен) мікроструктури МБ під час росту окремих зерен. Кількість нанесеного карбону (далі позначається як "низька", "середня" чи "висока") визначається положенням кожного зразка по відношенню до графітової лунки, причому ті з них, що розташовані ближче до лунки, одержують вищу концентрацію карбону, ніж ті, що знаходяться ближче до лунки 57. На інші зразки наносять покриття в описаний вище спосіб, але випаровують лише зливок 795757 для нанесення звичайного ПТБ з матеріалу 795757.Coating samples were applied by evaporation of individual ingots of graphite and 790752 (zirconium oxide stabilized with approximately 7 90 wt. yttrium oxide). The graphite ingots included a tungsten cap, which during EVRMO forms a molten surface hole through which the carbon evaporates, according to US Pat. Similar to the prior art EURMO processes, samples are loaded into the coating chamber so that they are held above the ingots, and the chambers 70 are evacuated to a partial vacuum of about 4.7x107 to about 6.6x107 torr (from about 0.8x107 to approximately 8.8x107 mbar). The samples are then heated to a temperature in the range of approximately 900-10002C and, while rotating the samples at a speed of approximately 25 rpm, two electron beam guns operating at power levels of approximately 19.5 kW and 23 kW are used to direct the electron beams onto the U57 ingots and graphite, respectively, and melt the surface of the ingots to form a vapor cloud containing 75 zirconium oxide, zirconium monooxide, zirconium, yttrium, yttrium oxide, yttrium oxides with lower oxidation states, oxygen, and carbon. The vapors are deposited (condensed) on the surface of the samples to form PTB, the thickness of which is approximately 150 micrometers. Each of the resulting coatings (hereinafter referred to as 796752) contains a dispersion of carbon (solid graphite) and possibly zirconium carbide that accumulated around defects, pores, and subgrains (interfaces within grains) of the MB microstructure during individual grain growth. The amount of deposited carbon (hereinafter referred to as "low", "medium" or "high") is determined by the position of each sample in relation to the graphite well, with those closer to the well receiving a higher concentration of carbon than those further closer to well 57. The other samples are coated as described above, but only the 795757 ingot is evaporated to coat the conventional PTB of the 795757 material.
Кожна з Фігур З та 4 є зробленими зі збільшенням 5000х мікрофотографіями одного зі зразків із покриттями с тус та 795757, відповідно, у стані на момент нанесення. Виміряна величина відкритої пористості зразків о 79657 становила приблизно 32 об'ємних відсотки порівняно з 12 об'ємними відсотками для звичайних тоб 52-зразків. Потім зразки піддавали старінню при приблизно 12002 протягом приблизно двох годин. Фігури 5 та 6 є мікрофотографіями зістарених зразків 790757 та 796752, відповідно. З порівняння Фігур З та 5 можна побачити, що в зразках 796752 утворюється високодисперсна пористість, яку можна пояснити проходження Ме) реакції між карбоном та киснем, що дифундує усередину ПТБ. Кількість нанесеного карбону, певно, впливає на «Е густину ПТБ після старіння, причому ПТБ, що містять низькі, середні та високі концентрації карбону, мали середні значення густини приблизно 4,835, 4,615 та 4,555 г/куб.см, відповідно. --Figures 3 and 4 are each micrographs taken at 5000x magnification of one of the samples coated with stus and 795757, respectively, in the condition at the time of application. The measured open porosity of the 79657 samples was approximately 32% by volume compared to 12% by volume for conventional 52-samples. The samples were then aged at about 12,002 for about two hours. Figures 5 and 6 are photomicrographs of aged specimens 790757 and 796752, respectively. From the comparison of Figures 3 and 5, it can be seen that highly dispersed porosity is formed in samples 796752, which can be explained by the passage of Me) reaction between carbon and oxygen diffusing inside the PTB. The amount of carbon applied appears to affect the density of PTB after aging, with PTBs containing low, medium, and high carbon concentrations having average density values of approximately 4.835, 4.615, and 4.555 g/cm3, respectively. --
Після старіння при приблизно 1200 «С протягом приблизно двох годин вимірювали теплопровідність та «г густину кожного зразка. Одержані дані зведені на Фігурах 7 та 8, де наведені інтервали розподілу, стандартні 32 відхили та середні значення. Теплопровідності для 795757 та базового зразка 796757 були виміряні при - приблизно 8902 і наведені в Таблиці | нижче. Величина "95 різниці" визначалась на основі середніх значень теплопровідності зразків 795757 по відношенню до базових зразків 79557. їх "о нн щі с з туя 10082000After aging at approximately 1200 °C for approximately two hours, the thermal conductivity and g density of each sample were measured. The obtained data are summarized in Figures 7 and 8, where the distribution intervals, standard 32 deviations, and mean values are shown. The thermal conductivities for 795757 and the base sample 796757 were measured at - approximately 8902 and are shown in Table | lower. The value of the "95 difference" was determined on the basis of the average values of the thermal conductivity of samples 795757 in relation to the base samples 79557.
Результати цих дослідів є вагомим свідченням на користь впливу домішок карбону на теплопровідність та і пористість ПТБ на основі 57. Знижена теплопровідність зразків 79567520 узгоджується зі збільшеною їз пористістю, що спостерігається. Крім того, результати свідчать, що зразки 796752 мають більш стабільну мікроструктуру, ніж зразки 795757, внаслідок чого зразки 796752 зберігають нижчу теплопровідність під час - старіння при 12002С. ї» 20 Хоч даний винахід описано на прикладі кращого варіанта втілення, зрозуміло, що фахівець в цій галузі зможе адаптувати його для використання в інших формах. Згідно з цим обсяг винаходу має обмежуватись лише ср наведеною далі формулою винаходу.The results of these experiments are strong evidence in favor of the influence of carbon impurities on the thermal conductivity and porosity of PTB based on 57. The reduced thermal conductivity of samples 79567520 is consistent with the observed increased porosity. In addition, the results indicate that the 796752 samples have a more stable microstructure than the 795757 samples, as a result of which the 796752 samples retain lower thermal conductivity during aging at 12002C. Although the present invention has been described by way of an example of a preferred embodiment, it is understood that one skilled in the art will be able to adapt it for use in other forms. According to this, the scope of the invention should be limited only to the following claims.
Claims (38)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UA2002010240A UA74149C2 (en) | 2002-01-09 | 2002-01-09 | method fOR formING thermal barrier coating (VARIANTS) and thermal barrier coating |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UA2002010240A UA74149C2 (en) | 2002-01-09 | 2002-01-09 | method fOR formING thermal barrier coating (VARIANTS) and thermal barrier coating |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| UA74149C2 true UA74149C2 (en) | 2005-11-15 |
Family
ID=74505776
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| UA2002010240A UA74149C2 (en) | 2002-01-09 | 2002-01-09 | method fOR formING thermal barrier coating (VARIANTS) and thermal barrier coating |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| UA (1) | UA74149C2 (en) |
-
2002
- 2002-01-09 UA UA2002010240A patent/UA74149C2/en unknown
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| UA74150C2 (en) | method fOR formING thermal barrier coating (VARIANTS) and thermal barrier coating | |
| Unal et al. | Microstructures of Y2O3‐stabilized ZrO2 electron beam‐physical vapor deposition coatings on Ni‐base superalloys | |
| US5418003A (en) | Vapor deposition of ceramic materials | |
| US6057047A (en) | Ceramic coatings containing layered porosity | |
| US6544665B2 (en) | Thermally-stabilized thermal barrier coating | |
| RU2228389C2 (en) | Method of thermal protection and metal article with ceramic coat (versions) | |
| EP1111085B1 (en) | Method for producing ceramic coatings | |
| US6492038B1 (en) | Thermally-stabilized thermal barrier coating and process therefor | |
| US8100083B2 (en) | Process and apparatus for depositing a ceramic coating | |
| UA44780C2 (en) | METAL DETAIL (OPTIONS), METHOD OF MANUFACTURING (OPTIONS) AND MATERIAL FOR THERMO-BARRIER COATING OF METAL DETAIL | |
| FR2833971A1 (en) | COATING FORMING THERMAL BARRIER. | |
| US6251504B1 (en) | Ceramic heat barrier coating having low thermal conductivity, and process for the deposition of said coating | |
| CA2284384C (en) | Thermal barrier coating with low thermal conductivity, metal part protected by said coating, process for depositing said coating | |
| JP2005273017A (en) | Method for reducing thermal conductivity in thermal barrier coating, thermal barrier coating and part comprising thermal barrier | |
| UA78487C2 (en) | Method for application of ceramic covering and device for realization the same | |
| US6998172B2 (en) | Thermally-stabilized thermal barrier coating | |
| UA74149C2 (en) | method fOR formING thermal barrier coating (VARIANTS) and thermal barrier coating |