Теплозащитное покрытие (варианты) и содержащее его изделие - RU2266352C2

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к теплозащитным покрытиям, выполненным из керамических материалов, и к металлическим деталям, имеющим такие теплозащитные покрытия. Применение теплозащитных покрытий особенно аффективно в газотурбинных двигателях.

Уровень техники

Газотурбинные двигатели (установки) представляют собой хорошо отработанные механизмы для преобразования потенциальной химической энергии в форме топлива в тепловую энергию, и затем - в механическую энергию для приведения в движение летательных аппаратов, генерирования электроэнергии, перекачки текучих сред и пр. Основной из существующих возможностей повышения эффективности газотурбинных двигателей сегодня является использование более высоких рабочих температур. Однако металлические материалы, используемые в газотурбинных двигателях, уже сейчас находятся на пределе своей термостойкости. В наиболее нагретых частях современных газотурбинных двигателей металлические материалы используются при температурах газа, превышающих их точку плавления. Их спасает только воздушное охлаждение. Но обеспечение воздушного охлаждения снижает эффективность двигателя.

Поэтому ведутся многочисленные разработки теплозащитных покрытий (покрытий, создающих термический барьер) для использования в охлаждаемых частях авиационных газовых турбин. Благодаря использованию теплозащитного покрытия может быть значительно сокращено количество необходимого охлаждаемого воздуха, что обеспечивает соответствующий рост эффективности.

Основой таких покрытий неизменно является керамика. Предлагались муллит и оксид алюминия, но в настоящее время выбор пал на диоксид циркония. Диоксид циркония должен быть подвергнут модификации посредством стабилизатора для предотвращения образования моноклинной фазы. К типичным стабилизаторам относятся оксид иттрия, оксид кальция, оксид церия и оксид магния.

Вообще, коэффициент теплового расширения металлических материалов превышает коэффициент теплового расширения керамических материалов. В результате одной из проблем, которая встает при разработке хороших теплозащитных покрытий, является согласование коэффициентов теплового расширения керамического материала и металлической подложки с тем, чтобы при нагревании, когда происходит расширение подложки, материал керамического покрытия не растрескивался. Диоксид циркония обладает высоким коэффициентом теплового расширения, и это является главной причиной успешного применения диоксида циркония для создания теплозащитного материала для металлических подложек.

Несмотря на достижения в области теплозащитных покрытий, сохраняется потребность в более совершенных покрытиях, обладающих превосходными теплоизоляционными свойствами, особенно таких, которые отличаются высокими удельными теплоизоляционными свойствами, приведенными к плотности покрытия. Вес всегда являлся критическим фактором при создании газотурбинных двигателей, особенно вращающихся частей. Керамические теплозащитные покрытия не являются материалами, несущими нагрузку, поэтому они увеличивают вес, не увеличивая прочности. Существует большая потребность в керамическом теплозащитном материале, который увеличивает вес в наименьшей степени, обеспечивая при этом максимальную тепловую изоляцию. Кроме того, материал, естественно, должен быть долговечным, прочным и недорогим.

Сущность изобретения

Соответственно, задачей настоящего изобретения является создание теплозащитных покрытий, имеющих низкую теплопроводность.

Другой задачей настоящего изобретения является создание теплозащитных покрытий, упомянутых выше, которые обеспечивают высокую эффективность при использовании в газотурбинных двигателях.

Приведенные задачи достигаются применением теплозащитных покрытий в соответствии со всей совокупностью признаков формулы настоящего изобретения.

В соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения предлагается теплозащитное покрытие, которое в основном содержит по меньшей мере 15 мол.% (молярная доля, %) по меньшей мере одного полуторного оксида лантанида, а остальное составляет первый оксид, выбранный из группы, состоящей из диоксида циркония, оксида церия и диоксида гафния. Содержание первого оксида составляет по меньшей мере 50 мол.%. По меньшей мере один полуторный оксид лантанида имеет формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, и их смесей.

Во втором варианте выполнения настоящего изобретения предлагается теплозащитное покрытие, которое в основном содержит оксид в количестве от 5 до 60 мол.%, причем оксид имеет формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из In, Sc, Y, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, и их смесей, а на остальное приходится первый оксид, выбранный из группы, состоящей из диоксида циркония, диоксида гафния и оксида церия.

В третьем варианте выполнения настоящего изобретения предлагается теплозащитное покрытие, которое в основном содержит полуторный оксид лантанида, а на остальное приходится первый оксид, выбранный из группы, состоящей из диоксида циркония, диоксида гафния и оксида церия. Причем полуторный оксид лантанида включают в покрытие в количестве, достаточном для образования в среднем более чем одной кислородной вакансии рядом с каждым ионом циркония, гафния и церия.

В четвертом варианте выполнения настоящего изобретения предлагается теплозащитное покрытие, которое в основном содержит от 15 до 60 мол.% полуторного оксида лантанида, имеющего формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из Er, Nd, Yb, Eu, Dy, Pr, Sm и La, а остальное - диоксид циркония.

В пятом варианте выполнения настоящего изобретения предлагается теплозащитное покрытие, которое в основном содержит по меньшей мере 15 мол.% оксида иттрия и полуторный оксид лантанида, имеющий формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из Er, Nd, Yb, Eu, Dy, Gd и Pr, а остальное - диоксид циркония.

В шестом варианте выполнения настоящего изобретения предлагается теплозащитное покрытие, которое в основном содержит от 9 до 15 мол.% Yb₂О₃ и от 1,0 до 48 мол.% полуторного оксида лантанида, имеющего формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из Er, Nd, Eu, Dy, Gd и Pr, а остальное - диоксид циркония.

В седьмом варианте выполнения настоящего изобретения предлагается теплозащитное покрытие, которое в основном содержит более 15 мол.% Yb₂О₃ и полуторный оксид лантанида, имеющий формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из Er, Nd, Eu, Dy, Gd и Pr, а остальное - диоксид циркония.

В восьмом варианте выполнения настоящего изобретения предлагается теплозащитное покрытие, которое в основном содержит от 20 до 30 мол.% Sc₂О₃ и полуторный оксид лантанида, имеющий формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из Er, Nd, Eu, Dy, Gd и Pr, а остальное - диоксид циркония.

В девятом варианте выполнения настоящего изобретения предлагается теплозащитное покрытие, которое в основном содержит более 30 мол.% Sc₂О_3,полуторный оксид лантанида, имеющий формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из Nd, Eu, Dy, Gd, Er и Pr, а остальное - диоксид циркония.

В десятом варианте выполнения настоящего изобретения предлагается теплозащитное покрытие, которое в основном содержит от 11 до 20 мол.% In₂О₃ и полуторный оксид лантанида, имеющий формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из Er, Nd, Eu, Dy, Gd и Pr, а остальное - диоксид циркония.

В одиннадцатом варианте выполнения настоящего изобретения предлагается теплозащитное покрытие, которое в основном содержит более 20 мол.% In₂О₃ и полуторный оксид лантанида, имеющий формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из Er, Nd, Eu, Dy, Gd и Pr, а остальное - диоксид циркония.

В двенадцатом варианте выполнения настоящего изобретения предлагается теплозащитное покрытие, которое в основном содержит от 5 до 60 мол.% по меньшей мере одного соединения из группы, содержащей La₂О₃ и Sm₂O₃, и от 5 до 60 мол.% по меньшей мере одного оксида, имеющего формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из Sc, In, Y, Pr, Nd, Eu, Sm, Gd, Dy, Er и Yb, а остальное - диоксид циркония.

Другие варианты выполнения теплозащитных покрытий в соответствии с настоящим изобретением раскрыты в описании далее.

Настоящее изобретение также относится к изделию, которое в основном содержит металлическую подложку и одно из упомянутых выше теплозащитных покрытий. Изделие может иметь связующее покрытие между металлической подложкой и теплозащитным покрытием.

Другие варианты выполнения теплозащитных покрытий в соответствии с настоящим изобретением и подробности, касающиеся теплозащитных покрытий в соответствии с настоящим изобретением, а также другие присущие ему задачи и преимущества изложены в приведенном ниже подробном описании.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Настоящее изобретение основано на том, что, как было установлено, некоторые керамические материалы могут с успехом применяться в качестве теплозащитных покрытий на металлических подложках, особенно на тех, что являются частями турбинного двигателя, например аэродинамических поверхностях. Эффективность применения этих керамических материалов обусловлена тем, что они обладают более низкой теплопроводностью, чем обычные теплозащитные материалы, например диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, содержание которого составляет 7% по весу.

В соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения теплоизолирующее покрытие, обладающее такой пониженной теплопроводностью, содержит по меньшей мере 15 мол.% по меньшей мере одного полуторного оксида лантанида, а остальное составляет первый оксид, выбранный из группы, состоящей из диоксида циркония, оксида церия и диоксида гафния. В предпочтительном варианте выполнения первый оксид содержится в количестве, превышающем 50 мол.%. Каждый полуторный оксид лантанида имеет формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, или их смесей. В предпочтительном варианте выполнения полное содержание по меньшей мере одного полуторного оксида лантанида составляет от 15 до 45 мол.%. В наиболее предпочтительном варианте выполнения полное содержание по меньшей мере одного полуторного оксида лантанида составляет по меньшей мере 25 мол.%. В теплозащитных покрытиях в соответствии с настоящим изобретением, в которых первым оксидом является диоксид циркония, каждый ион циркония имеет в среднем более одной смежной кислородной вакансии, а в предпочтительном варианте имеет по меньшей мере две смежных кислородных вакансии. Если первым оксидом является диоксид гафния или оксид церия, каждый ион гафния и каждый ион церия будет также иметь в среднем более одной смежной кислородной вакансии, предпочтительно как минимум две смежные кислородные вакансии. Наличие этих кислородных вакансий снижает до минимума теплопроводность покрытия. Таким образом, эти кислородные вакансии являются важной особенностью покрытий в соответствии с настоящим изобретением.

В соответствии с настоящим изобретением второе теплозащитное покрытие содержит оксид в количестве от 5 до 60 мол.%, а остальное составляет первый оксид, выбранный из группы, состоящей из диоксида циркония, диоксида гафния и оксида церия. Оксид имеет формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из In, Sc, Y, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, и их смесей. В предпочтительном варианте выполнения этого покрытия содержание полуторного оксида лантанида составляет от 10 до 40 мол.%.

Третий вариант выполнения теплозащитного покрытия содержит полуторный оксид лантанида, а остальное представляет собой первый оксид, выбранный из группы, состоящей из диоксида циркония, диоксида гафния и оксида церия, и их смесей. Полуторный оксид лантанида содержится в количестве, достаточном для создания в среднем более одной кислородной вакансии рядом с каждым ионом циркония, гафния и церия.

В четвертом варианте выполнения теплозащитного покрытия, имеющего пониженную теплопроводность, в соответствии с настоящим изобретением содержится от 15 до 60 мол.% полуторного оксида лантанида, имеющего формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из Er, Nd, Yb, Eu, Dy, Pr, Sm, La, и их смесей, а остальное - диоксид циркония. В предпочтительном варианте выполнения теплозащитное покрытие содержит менее 10 об.% (объемная доля, %) фаз с кристаллической структурой пирохлора. Предпочтительно, чтобы содержание диоксида циркония составляло более 40 мол.%. Теплозащитное покрытие может также содержать один или более следующих компонентов: от 0,001 до 2,5 мол.% оксида иттрия, от 0,001 до 10 мол.% по меньшей мере одного соединения из группы, состоящей из СаО и MgO, от 0,001 до 1,0 мол.% Yb₂О₃, от 0,001 до 4,0 мол.% Sc₂О₃, и/или от 0,001 до 4,0 мол.% In₂О₃.

В пятом варианте выполнения теплозащитного покрытия, имеющего пониженную теплопроводность, в соответствии с настоящим изобретением содержится по меньшей мере 15 мол.% оксида иттрия и полуторный оксид лантанида, имеющий формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из Er, Nd, Yb, Eu, Dy, Gd, Pr, и их смесей, а остальное - диоксид циркония. В предпочтительном варианте выполнения диоксид циркония содержится в количестве, превышающем 40 мол.%, и покрытие содержит менее 10 об.% фаз с кристаллической структурой пирохлора. Оксид иттрия в этом покрытии может содержаться в количестве от 15 до 22 мол.%, а полуторный оксид лантанида может содержаться в количестве от 1,0 до 35 мол.%. В особенно эффективном варианте выполнения системы данного теплозащитного покрытия содержание оксида иттрия превышает 22 мол.%, а содержание полуторного оксида лантанида составляет от 1,0 до 38 мол.%.

В шестом варианте выполнения настоящего изобретения теплозащитное покрытие, имеющее пониженную теплопроводность, содержит от 9 до 15 мол.% Yb₂О₃, и от 1,0 до 48 мол.% полуторного оксида лантанида, имеющего формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из Er, Nd, Eu, Dy, Gd, Pr, и их смесей, а остальное - диоксид циркония. Диоксид циркония содержится в количестве более 40 мол.%, и покрытие имеет менее 10 об.% кристаллической структуры пирохлора.

Седьмой вариант выполнения теплозащитного покрытия в соответствии с настоящим изобретением содержит более 15 мол.% Yb₂О₃ и полуторный оксид лантанида, имеющий формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из Er, Nd, Eu, Dy, Gd, Pr, и их смесей, а остальное - диоксид циркония. Диоксид циркония в предпочтительном варианте содержится в количестве более 40 мол.%. Кроме того, покрытие, в предпочтительном варианте содержит менее 10 об.% фаз с кристаллической структурой пирохлора. Полуторный оксид лантанида может содержаться в количестве от 0,001 до 45 мол.%.

В восьмом варианте выполнения настоящего изобретения предлагается теплозащитное покрытие, которое содержит от 20 до 30 мол.% Sc₂О₃ и полуторный оксид лантанида, имеющий формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из Er, Nd, Eu, Dy, Gd, Рг, и их смесей, а остальное - диоксид циркония. Как и в предыдущих случаях, диоксид циркония в предпочтительном варианте выполнения содержится в количестве более 40 мол.%. Кроме того, теплозащитное покрытие содержит менее 10 об.% фаз с кристаллической структурой пирохлора. В предпочтительном варианте выполнения содержание полуторного оксида лантанида составляет от 0,001 до 30 мол.%.

В девятом варианте выполнения настоящего изобретения предлагается теплозащитное покрытие, которое содержит более 30 мол.% Sc₂О₃, полуторный оксид лантанида, имеющий формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из Nd, Eu, Dy, Gd, Er, Pr, и их смесей, а остальное - диоксид циркония. Диоксид циркония в предпочтительном варианте выполнения содержится в количестве более 40 мол.%. Теплозащитное покрытие может содержать менее 10 об.% фаз с кристаллической структурой пирохлора. В предпочтительном варианте выполнения содержание полуторного оксида лантанида составляет от 0,001 до 30 мол.%.

В десятом варианте выполнения настоящего изобретения теплозащитное покрытие содержит от 11 до 20 мол.% In₂О₃ и полуторный оксид лантанида, имеющий формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из Er, Nd, Eu, Dy, Gd, Pr, и их смесей, а остальное - диоксид циркония. В предпочтительном варианте полуторный оксид лантанида содержится в количестве от 0,001 до 36 мол.%. Диоксид циркония в предпочтительном варианте выполнения содержится в количестве более 40 мол.%. Предпочтительно, чтобы теплозащитное покрытие также содержало менее 10 об.% фаз со структурой пирохлора.

В одиннадцатом варианте выполнения предлагается теплозащитное покрытие, которое содержит более 20 мол.% In₂О₃ и полуторный оксид лантанида, имеющий формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из Er, Nd, Eu, Dy, Gd, Pr, и их смесей, а остальное - диоксид циркония. В этой системе покрытия диоксид циркония в предпочтительном варианте выполнения содержится в количестве более 40 мол.%, и желательно, чтобы содержание полуторного оксида лантанида составляло от 0,001 до 40 мол.%, а покрытие содержало менее 10 об.% фаз со структурой пирохлора.

В двенадцатом варианте выполнения настоящего изобретения теплозащитное покрытие содержит от 5 до 60 мол.% по меньшей мере одного соединения из группы, состоящей из La₂О₃ и Sm₂O₃, от 5 до 60 мол.% по меньшей мере одного оксида, имеющего формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из Sc, In, Y, Pr, Nd, Eu, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, и их смесей, а остальное - диоксид циркония. В этой системе покрытия диоксид циркония в предпочтительном варианте выполнения содержится в количестве более 40 мол.%, а покрытие содержит менее 10 об.% фаз со структурой пирохлора.

Другие варианты выполнения теплозащитных покрытий в соответствии с настоящим изобретением включают следующие:

(13) Теплозащитное покрытие, содержащее от 0,5 до 22,5 мол.% по меньшей мере одного оксида, имеющего формулу А₂О₃, где А выбирается из группы, состоящей из La, Sm, Tb, Tm и Lu, в комбинации со вторым оксидом, выбранным из группы, состоящей из диоксида циркония, диоксида гафния и оксида церия. В предпочтительном варианте выполнения содержание второго оксида составляет по меньшей мере 77,5 мол.%. Покрытие может также содержать от 0,5 до 59,5 мол.% по меньшей мере одного третьего оксида из группы, состоящей из In₂О₃, Sc₂О₃, MgO, СаО и их смесей со вторым оксидом, присутствующим в количестве более 40 мол.%, когда присутствует третий оксид. Далее, в другом варианте выполнения покрытие может содержать от 0,5 до 22,0 мол.%, как минимум, одного третьего оксида, выбранного из группы, включающей СеО₂, Pr₂O₃, Nd₂O₃, Eu₂O₃, Gd₂O₃, Dy₂O₃, Er₂О₃, Yb₂ О₃, и их смесей, и суммарное содержание по меньшей мере одного первого оксида и по меньшей мере одного третьего оксида составляет не более 22,5 мол.%.

(14) Теплозащитное покрытие, содержащее от 0,5 до 1,0 мол.% по меньшей мере одного первого оксида из группы, состоящей из СеО₂, Pr₂O₃, Nd₂O₃, Eu₂O₃, Gd₂O₃, Dy₂O₃, Er₂О₃, Yb₂О₃, In₂O₃, Sc₂О₃, Y₂ О₃, и их смесей, в комбинации со вторым оксидом, выбранным из группы, состоящей из диоксида циркония, диоксида гафния и оксида церия. Теплозащитное покрытие может также содержать от 0,5 до 22,0 мол.% по меньшей мере одного третьего оксида, выбранного из группы, состоящей из La₂О₃, Sm₂О₃, Tb₂О₃, Tm₂О₃, Но₂О₃, Lu₂О₃, MgO, CaO, и их смесей, причем суммарное содержание по меньшей мере одного первого оксида и по меньшей мере одного третьего оксида составляет не более 22,5 мол.%, а содержание второго оксида составляет по меньшей мере 77,5 мол.%.

(15) Теплозащитное покрытие, содержащее от 20,5 до 22,5 мол.% CeO₂ в комбинации с оксидом, выбранным из группы, состоящей из диоксида циркония, диоксида гафния и оксида церия. В предпочтительном варианте выполнения содержание оксида составляет по меньшей мере 77,5 мол.%.

(16) Теплозащитное покрытие, содержащее от 0,5 до 22,0 мол.% CeO₂ и от 0,5 до 22,0 мол.% по меньшей мере одного первого оксида, выбранного из группы, состоящей из La₂ О₃, Sm₂О₃, Tb₂O₂, Tm₂O₃, Но₂О₃, Lu₂О₃, MgO, CaO, Pr₂O₂, Nd₂O₃, Eu₂O₃, Gd₂O₃, Dy₂O₃, Er₂O₃, Yb₂O₃, и их смесей, в комбинации со вторым оксидом, выбранным из группы, состоящей из диоксида циркония и диоксида гафния, и СеО₂, причем по меньшей мере один первый оксид содержится в количестве, не превышающем 22,5 мол.%. В предпочтительном варианте выполнения содержание второго оксида составляет по меньшей мере 77,5 мол.%.

(17) Теплозащитное покрытие, содержащее от 0,5 до 22,5 мол.% СеО₂, от 0,5 до 59,5 мол.% по меньшей мере одного оксида, выбранного из группы, состоящей из In₂О₃, Sc₂О₃, и их смесей, в комбинации с по меньшей мере 40 мол.% оксида, выбранного из группы, состоящей из диоксида циркония и диоксида гафния.

(18) Теплозащитное покрытие, содержащее от 9,0 до 22,5 мол.% по меньшей мере одного первого оксида, выбранного из группы, состоящей из Pr₂О₃, Nd₂O₃, Eu₂О₃, Er₂О₃, и их смесей, в комбинации со вторым оксидом, выбранным из группы, состоящей из диоксида циркония, диоксида гафния и оксида церия. В предпочтительном варианте выполнения содержание второго оксида превышает 77,5 мол.%. Теплозащитное покрытие может дополнительно содержать от 0,5 до 51 мол.% по меньшей мере одного третьего оксида, выбранного из группы, состоящей из Yb₂О₃, In₂O₃, Sc₂О₃, Y₂О₃, Gd₂O₃, MgO, CaO, и их смесей, причем содержание второго оксида составляет по меньшей мере 40 мол.%.

(19) Теплозащитное покрытие, содержащее от 15,0 до 22,5 мол.% первого оксида, выбранного из группы, состоящей из Dy₂О₃ и Yb₂О₃, в комбинации с по меньшей мере 77,5 мол.% второго оксида, выбранного из группы, состоящей из диоксида циркония, диоксида гафния и оксида церия.

(20) Теплозащитное покрытие, содержащее от 0,5 до 59,5 мол.% Dy₂О₃ и от 0,5 до 59,5 мол.% по меньшей мере одного оксида из группы, состоящей из In₂O₃, Sc₂О₃, MgO, СаО, и их смесей, в комбинации с по меньшей мере 40 мол.% оксида, выбранного из группы, состоящей из диоксида циркония, диоксида гафния и оксида церия.

(21) Теплозащитное покрытие, содержащее от 0,5 до 22,5 мол.% Yb₂О₃ и от 0,5 до 59,5 мол.% по меньшей мере одного оксида из группы, состоящей из In₂O₃, Sc₂О₃, MgO, СаО, и их смесей, в комбинации с по меньшей мере 40 мол.% оксида, выбранного из группы, состоящей из диоксида циркония, диоксида гафния и оксида церия.

(22) Теплозащитное покрытие, содержащее от 20,5 до 60 мол.% по меньшей мере одного оксида, выбранного из группы, состоящей из In₂О₃, Sc₂О₃ и Y₂О₃, в комбинации с по меньшей мере 40 мол.% оксида, выбранного из группы, состоящей из диоксида циркония, диоксида гафния и оксида церия.

(23) Теплозащитное покрытие, содержащее от 15 до 59,5 мол.% Y₂О₃, от 0,5 до 45 мол.% по меньшей мере одного первого оксида, выбранного из группы, состоящей из La₂О₃, Sm₂О₃, Tb₂О₃, Tm₂О₃, Но₂О₃, Lu₂O₃, MgO, CaO, Pr₂О₃, Nd₂O₃, Eu₂O₃, Dy₂О₃, Er₂О₃, Yb₂О₃, In₂O₃, Sc₂О₃, и их смесей, в комбинации с по меньшей мере 40 мол.% оксида, выбранного из группы, состоящей из диоксида циркония, диоксида гафния и оксида церия.

(24) Теплозащитное покрытие, содержащее от 9,0 до 23,0 мол.% Gd₂O₃, от 0,5 до 51,0 мол.% по меньшей мере одного оксида, выбранного из группы, состоящей из La₂О₃, Sm₂О₃, Tb₂О₃, Tm₂O₃, Но₂О₃, Lu₂О₃, MgO, CaO, Pr₂О₃, Nd₂О₃, Eu₂О₃, Dy₂О₃, Er₂О₃, Yb₂О₃, In₂ О₃, Sc₂О₃, и их смесей, в комбинации с по меньшей мере 40 мол.% оксида, выбранного из группы, состоящей из диоксида циркония, диоксида гафния и оксида церия.

Представленные здесь теплозащитные покрытия характеризуются столбчатой структурой.

В соответствии с настоящим изобретением может быть создано изделие, в частности, предназначенное для использования в газотурбинном двигателе. Это изделие может иметь металлическую подложку и одно из упомянутых выше теплозащитных покрытий, нанесенных на подложку. Теплозащитные покрытия могут быть нанесены непосредственно на поверхность подложки либо могут быть нанесены на связующее покрытие, нанесенное на одну или более поверхностей металлической подложки. Для нанесения теплозащитного покрытия в соответствии с одним из вариантов выполнения настоящего изобретения может быть использована любая подходящая технология, известная в уровне техники. К подходящим технологиям относятся электронно-лучевая конденсация из паровой фазы, химическое осаждение из паровой фазы, технологии плазменного распыления низкого давления и диффузионные процессы. Для металлической подложки может использоваться один из сплавов из группы, состоящей из супер-сплава на основе никеля, супер-сплава на основе кобальта, сплава железа, например стали, титанового сплава и сплава меди.

Связующее покрытие может содержать любое известное подходящее связующее покрытие. Например, связующее покрытие может быть образовано из материала, содержащего алюминий, алюминида, алюминида платины, керамического материала, например диоксида циркония, стабилизированного иттрием в количестве 7 вес.%, или материалом состава MCrAIY. Связующее покрытие может быть образовано на подложке посредством любого известного подходящего процесса, включая плазменное распыление низкого давления, электронно-лучевую конденсацию из жидкой фазы, диффузионные процессы и химическое осаждение из паровой фазы, а также и другие процессы. При необходимости связующее покрытие может иметь оксидную окалину на наружной поверхности, причем оксидная окалина состоит в основном из оксида алюминия. Теплозащитные покрытия в соответствии с настоящим изобретением могут быть связаны с оксидным покрытием с использованием любой известной технологии, пригодной для этого.

При необходимости к теплозащитному покрытию может быть прикреплен керамический слой. Дополнительный керамический материал может быть выбран из группы, состоящей из материалов, которые ослабляют диффузию кислорода, обеспечивают устойчивость к эрозии и истиранию и/или имеют коэффициент излучения в оптическом диапазоне, равный 0,7. В качестве примеров керамических материалов с высокой излучательной способностью можно привести оксид алюминия и муллит. Высокая излучательная способность снижает передачу тепла через теплозащитное покрытие посредством внутреннего излучения (излучения самого материала теплозащитного покрытия) за счет разности температур между более горячей наружной поверхностью покрытия и более холодного перехода между покрытием и термически выращенным оксидом (TGO), тем самым сокращая температуру термически выращенного оксида и, следовательно, связующего покрытия и тем самым сплава. Таким образом, благодаря высокой излучательной способности улучшаются изолирующие свойства теплозащитного покрытия. Дополнительный керамический слой может быть образован на внешней поверхности теплозащитного покрытия.

В некоторых вариантах выполнения изделие может иметь на своих поверхностях оксидную окалину и одно из теплозащитных покрытий в соответствии с настоящим изобретением может быть нанесено непосредственно на оксидную окалину и связано с ней посредством любой известной подходящей технологии нанесения, включая диффузионные процессы, электронно-лучевую конденсацию из паровой фазы и/или химическое осаждение из паровой фазы, а также иные способы нанесения. Оксидная окалина может в основном состоять из алюминия.

Хотя теплозащитные покрытия в соответствии с настоящим изобретением были разработаны для применения в газотурбинных двигателях, покрытия полезны и для других применений, где действуют высокие температуры, например печи и двигатели внутреннего сгорания.

Следующие примеры предназначены для иллюстрации преимуществ покрытий в соответствии с настоящим изобретением.

Пример 1

Образцы, содержащие 27,3 мол.% Y₂О₃, остальное ZrO₂, изготавливались холодным прессованием и спеканием перемешанных порошков до плотности, составляющей 95% от теоретически возможной. Образцы в форме дисков толщиной 0,635 мм (0,025 дюйма) были покрыты графитом. Измерение удельной теплоты и удельной температуропроводности выполнялось посредством импульсного лазерного устройства. Объемная плотность определялась посредством тщательных измерений размеров и веса образца. По данным измерений, полученных при температуре 648,9°С (1200°F), рассчитывалась величина коэффициента теплопроводности, равная 1,95 Вт/(м·К), с учетом корректировки линейной экстраполяцией на теоретическую плотность.

Пример 2

Образцы, содержащие 16,7 мол.% Y₂О₃, 16,7 мол.% Gd₂O₃, остальное ZrO₂, были изготовлены аналогичным способом посредством холодного прессования и спекания перемешанных порошков до плотности, составляющей 90,8% от теоретически возможной. Образцы в форме дисков толщиной 0,635 мм (0,025 дюйма) также покрывались графитом и подвергались испытанию в импульсном лазерном устройстве. Объемная плотность определялась по результатам тщательных измерений веса и размеров. Величина коэффициента теплопроводности, в среднем равная с учетом корректировки посредством линейной экстарполяции на теоретическую плотность 1,37 Вт/(м·К), рассчитывалась по результатам измерений при температуре 871,1°С (1600°F).

Пример 3

Покрытия, в среднем содержащие 19 мол.% Sm₂О₃, остальное ZrO₂, наносились посредством электронно-лучевой конденсации из паровой фазы на диски из оксида алюминия. Измерения температуропроводности при высоких температурах выполнялись в импульсном лазерном устройстве. Величины удельной теплоты при высоких температурах оценивались по результатам ранее выполненных измерений сплошных образцов, содержащих 33 мол.% Sm₂О₃, остальное ZrO₂. Объемная плотность образцов вычислялась из изменений веса и толщины дисков при их покрытии и их диаметров. Величины коэффициента теплопроводности, в среднем составляющие 1,26 Вт/(м·К), были рассчитаны по данным, полученным при температуре 760°С (1400°F), без поправок на плотность.

Пример 4

Образцы, содержащие 25 мол.% Y₂О₃, 8 мол.% Gd₂O₃, остальное ZrO₂, были изготовлены посредством холодного прессования и спекания перемешанных порошков до плотности, составляющей 95% от теоретически возможной. Образцы в форме дисков толщиной 0,635 мм (0,025 дюйма) были покрыты графитом. Измерение удельной теплоты и удельной температуропроводности выполняли посредством импульсного лазерного устройства. Объемную плотность определяли посредством тщательных измерений размеров и веса образца. По данным измерений, полученных при температуре 1204,4°С (2200°F), рассчитана величина коэффициента теплопроводности, равная 1,2 Вт/(м·К), без учета корректировки на теоретическую плотность.

Пример 5

Образцы композиции, содержащие в среднем 5 мол.% Y₂О₃, 5 мол.% Gd₂O₃, 5 мол.% Sm₂О₃, остальное ZrO₂, наносились посредством электронно-лучевой конденсации из паровой фазы на диски из оксида алюминия. Образцы в форме дисков толщиной 0,635 мм (0,025 дюйма) были покрыты графитом. Измерение удельной теплоты и удельной температуропроводности выполняли посредством импульсного лазерного устройства. Объемную плотность определяли посредством тщательных измерений размеров и веса образца. По данным измерений, полученных при температуре 871,1°С (1600°F), рассчитана величина коэффициента теплопроводности, равная 1,73 Вт/(м·К), без учета корректировки на теоретическую плотность.

Пример 6

Образцы композиции, содержащие в среднем 5 мол.% Y₂О₃, 14 мол.% Gd₂O₃, 14 мол.% Sm₂О₃, остальное ZrO₂, наносили посредством электронно-лучевой конденсации из паровой фазы на диски из оксида алюминия. Образцы в форме дисков толщиной 0,635 мм (0,025 дюйма) были покрыты графитом. Измерение удельной температуропроводности выполняли посредством импульсного лазерного устройства. Значение удельной теплоты определяли с использованием импульсного лазерного устройства в сравнении с образцами того же химического состава, полученными спеканием.

Объемная плотность определялась посредством тщательных измерений размеров и веса образца. По данным измерений, полученных при температуре 537,8°С (1000°F), рассчитана величина коэффициента теплопроводности, равная 1,09 Вт/(м·К), без учета корректировки на теоретическую плотность.

Реферат

Изобретение относится к теплозащитным покрытиям, выполненным из керамических материалов, и к металлическим изделиям, имеющим такие теплозащитные покрытия. Применение теплозащитных покрытий эффективно в газотурбинных двигателях. Теплозащитные покрытия содержат, по меньшей мере, один оксид, а остальное составляет первый оксид, выбранный из группы, состоящей из диоксида циркония, оксида церия и диоксида гафния. По меньшей мере, один оксид имеет формулу А₂О₃, где А выбирают из группы, состоящей из La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, In, Sc, Y, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, и их смесей. Изделия имеют металлическую подложку и теплозащитное покрытие, упомянутое выше. Техническим результатом является создание теплозащитных покрытий, имеющих низкую теплопроводность, которые обеспечивают высокую эффективность при использовании в газотурбинных двигателях. 18 н. и 34 з.п. ф-лы.

Формула