Аспирант
Адрес для переписки: Оковитый Василий Вячеславович — Белорусский национальный технический университет просп. Независимости, 65, 220013, г. Минск, Республика Беларусь Тел.: +375 17 331-00-45 vasil_ok@inboх.ru
Graduate student
Address for correspondence: Okovity Vasiliy V. — Belаrusian National Technical University 65 Nezavisimosty Ave., 220013, Minsk, Republic of Belarus Tel.: +375 17 331-00-45 vasil_ok@inboх.ru
Доктор технических наук, профессор
Professor, PhD in Engineering
Кандидат технических наук
PhD in Engineering
Член-корреспондент НАН Беларуси, доктор физико-математических наук, профессор
Corresponding Member of NAS of Belarus, Professor, PhD in Physics and Mathematics
Разработана технология формирования теплозащитных покрытий на основе диоксида циркония, исследованы структуры фазового состава и термостойкости таких покрытий. Приведены результаты исследования процесса формирования оксидной системы ZrO2 – Y2О3 методами плазменного напыления и последующей высокоэнергетической обработки, позволяющей повысить стойкость теплозащитного покрытия к термоциклированию при температуре 1100 °С. Это приводит к более длительной защите подложки от воздействий высоких температур. Методика основана на комплексных металлографических, рентгеноструктурных и электронно-микроскопических исследованиях структурных элементов композиционных плазменных покрытий системы ZrO2 – Y2О. Стойкость плазменных покрытий типа Me – Cr – Al – Y/ZrO2 – Y2O3, применяемых в качестве теплозащитных покрытий для защиты лопаток газотурбинных двигателей в условиях частых теплосмен, ограничивается скалыванием внешнего керамического слоя. Структурные и микрорентгеноспектральные исследования показали, что в результате термоциклирования внешняя атмосфера благодаря пористой структуре керамического слоя покрытия проникает к поверхности нижнего металлического покрытия, вызывая его окисление. В результате на границе металл – керамика формируется слой Al2O3, изменяющий напряженное состояние покрытия, что приводит к снижению защитных свойств. Таким образом, высокая термостойкость теплозащитных покрытий зависит от процессов, протекающих на границе между металлическим и керамическим слоями покрытия. Лазерное воздействие на образцы с теплозащитными покрытиями приводит к изменению структуры оксидного слоя ZrO2– Y2O3. При этом его исходная поверхность, характеризующаяся развитым рельефом, в результате обработки существенно выравнивается и покрытие растрескивается, разделяясь на фрагменты. Так как оксидное покрытие обладает низкой теплопроводностью, а время воздействия лазера порядка 10–3 с, тепловой поток не успевает распространиться на большую глубину. В результате поверхность покрытия приобретает вид застывшего расплава. Покрытие, полученное из порошка ZrO2 – 7 % Y2O3 по разработанной авторами технологии, выдерживает в 1,5 раза больше циклов нагрева – охлаждения, чем подобное покрытие, изготовленное ранее. Предло- женный способ позволяет повысить стойкости покрытия к термоциклированию при температуре 1100° С.
A technology for formation of thermal barrier coatings (TBC) based on zirconium dioxide has been developed in the paper. The paper investigates structures of phase composition and thermal stability of such developed coatings. Investigation results pertaining to formation of an oxide system ZrO2 – Y2O3, while using plasma spraying and subsequent high-energy processing, which allows to increase resistance of a thermal barrier coating to thermal cycling heat resistance of the coating at temperature of 1100 °C. This leads to longer protection of bottom layer against high-temperature exposure. The methodology is based on complex metallographic, X-ray diffraction and electron microscopy investigations of structural elements in composite plasma coatings of the ZrO2 – Y2O system. Resistance of plasma coatings (Мe – Cr – Al – Y/ZrO2 – Y2O3-type), used as TBC to protect gas turbine engine blades under conditions of frequent thermal cyclings is limited by cleavage of an outer ceramic layer. Structural and electron microprobe investigations have shown that as a result of thermal cycling an outer atmosphere due to porous structure of the ceramic coating layer, migrates to the surface of lower metal coating, causing its oxidation. As a result, the metal-ceramic Al2O3 layer is formed at a metal-ceramic interface and it changes a stress state of the coating that causes a reduction of protective properties. Thus, a high heat resistance of thermal barrier coatings depends on processes occurring at the interface between metal and ceramic coating layers. A laser impact on samples with TBC leads to changes in the structure of the oxide layer of ZrO2 – Y2O3. In this case its initial surface characterized by considerable relief is significantly flattened due to processing and the coating is fractured and it is separated in fragments. As the oxide coating has low thermal conductivity, and the time of laser exposure is about 10–3 sec, a heat flux does not have time to spread to a greater depth. As a result, the coating surface takes the form of solidified melt. The coating obtained from the powder of ZrO2 – 7 % Y2O3 in accordance with the developed technology can withstand heating – cooling cycles by 1.5-fold more than similar coatings being made previously. Thus the proposed method allows to increase the coating resistance to thermal cycling at temperatures of 1100 °C.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.