Nowoczesne technologie wytwarzania powłokowych barier cieplnych w Laboratorium Badań Materiałów dla Przemysłu Lotniczego

• Autorzy: Sieniawski J. , Kubiak K. , Filip R. , Góral M. , Nowotnik A.

Warianty tytułu

EN

Modern technologies of thermal barrier coatings production in the Research And Development Laboratory for Aerospace Materials

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Dynamiczny rozwój lotnictwa cywilnego i wymagania dotyczące ochrony środowiska determinują rozwój zaawansowanych silników turbowentylatorowych o większych osiągach i mniejszym zużyciu paliwa. Jedną z możliwości sprostania tym wymaganiom jest podwyższenie temperatury pracy silnika. Wymaga to modyfikacji konstrukcji oraz zastosowania zaawansowanych materiałów na łopatki turbin oraz ochronnych warstw żaroodpornych. Najczęściej do ochrony powierzchni łopatek turbin są stosowane wielowarstwowe powłokowe bariery cieplne (TBC). Warstwę wewnętrzną - międzywarstwę - chroniącą przed oddziaływaniem korozyjnym spalin, stanowią dyfuzyjne warstwy aluminidkowe modyfikowane platyną lub warstwy złożone z wieloskładnikowych stopów typu MeCrAlY wytwarzane metodami fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD). Warstwa zewnętrzna zwykle jest złożona z tlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru osadzanych metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej z odparowaniem za pomocą wiązki elektronów (Electron Beam Physical Vapour Deposition, EB-PVD). W pracy przedstawiono nowoczesne metody wytwarzania powłok rozwijane w Uczelnianym Laboratorium Badań Materiałów dla Przemysłu Lotniczego Politechniki Rzeszowskiej (LBMPL). Obecnie prowadzone są w laboratorium badania nad wytwarzaniem dyfuzyjnych warstw aluminidkowych modyfikowanych hafnem oraz cyrkonem. Warstwy te powstają w procesie chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD). Jednocześnie są realizowane prace badawcze dotyczące modyfikowania platyną i palladem warstw aluminidkowych wytwarzanych metodą CVD. Stanowią one warstwy pośrednie dla warstw ceramicznych osadzanych metodami EB-PVD i LPPS-Thin Film. Badania doświadczalne są realizowane za pomocą urządzenia EB-PVD typu Smart Coater firmy ALD. Stanowi ono prototypowe rozwiązanie, pozwalające na wytwarzanie powłok ceramicznych na małej liczbie elementów konstrukcyjnych, np. łopatek turbin w celach badawczych. Inną rozwijaną technologię stanowi proces natryskiwania plazmowego pod obniżonym ciśnieniem cienkich warstw (LPPS Thin Film) opracowany przez firmę Suzler Metco. Cechą unikatową urządzenia LPPS-Thin Film jest możliwość odparowania cząstek proszku ceramicznego w strumieniu plazmy. Obniżenie ciśnienia oraz obecność fazy gazowej pozwala na uzyskanie warstw o budowie kolumnowej, o większej odporności na pękanie, charakterystycznych dla procesu EB-PVD. Jednocześnie w laboratorium są prowadzone badania odporności na utlenianie izotermiczne i cykliczne, korozję siarkową, odporność erozyjną, w tym w wysokiej temperaturze oraz oceny stopnia oddziaływania wytworzonych powłokowych barier cieplnych na właściwości mechaniczne materiału podłoża.

EN

Dynamic development of civil aviation and the requirements concerning the environment protection determine the development of advanced turbofans, characterized by better performance and lower fuel consumption. The increase of engine service temperature is one of possibilities to achieve this goal. It requires the modification of its construction and the application of advanced materials for turbine blades and the usage of protective and high temperature resistant coatings. The mulitlayer Thermal Barrier Coatings (TBC) are most often used for protection of turbine blades surface. The diffusion, platinum modified aluminide coatings or the MeCrAlY layers consisting of multicomponent alloys obtained with methods of physical vapour deposition (PVD) constitute the inner layer (bond-coat) which protects against the corrosive influence of exhaust gases. The outer layer consisting, in most cases, of yttrium oxide stabilized zirconium oxide deposited with method of physical vapour deposition, involves vaporization with a use of electron beam (Electron Beam Physical Vapour Deposition, EB-PVD). The modern techniques of coating deposition, developed in the Research and Development Laboratory for Aerospace Materials (LBMPL) at Rzeszow University of Technology are introduced in this paper. In the laboratory, there is currently a research on obtaining the diffusion hafnium or zirconium modified aluminide layer being conducted. Those layers are formed during the process of chemical vapour deposition (CVD). Simultaneously, one conducts a research on modifying of aluminide layers with platinum and palladium during the CVD process. They have an application as the bond-coats for ceramic layer deposited by EB-PVD i LPPSThin Film method. The experimental research are realized with a use of ALD Smart Coater EB-PVD device. It is the prototype machine, which allows to create, for scientific purposes, the ceramic coating on a small amount of construction elements i.e. turbine blades. The plasma spraying process under low pressure (LPPS Thin Film) developed by Sulzer Metco company is the alternative process for creating layers. The unique property of LPPS-Thin Film device is the possibility of ceramic powder particles vaporization in the plasma jet. Decrease of pressure and existence of gas phase are the factors that allow to form layer with columnar structure, that have better crack resistance and are characteristic for the EB-PVD process. Simultaneously, one conducts in the laboratory a research on isothermal oxidation resistance, sulfur corrosion resistance, erosion resistance (also for high temperature) and on assessment of influence of Thermal Barrier Coatings on the mechanical properties of base material.

Słowa kluczowe

PL

powłokowe bariery cieplne; powłoki żaroodporne; CVD; aluminiowanie gazowe; nadstopy niklu; PS-PVD; LPPS-Thin Film; EB-PVD

EN

thermal barrier coatings; CVD; vapour aluminizing; Ni superalloys; PS-PVD; LPPS-Thin Fil; EB-PVD

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 32, nr 4
• Strony: 734--737
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., rys.

Twórcy

autor

Sieniawski J.

autor

Kubiak K.

autor

Filip R.

autor

Góral M.

autor

Nowotnik A.

• Katedra Materiałoznawstwa, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska,

Bibliografia

• [1] Levi C. G.: Emerging materials and processes for thermal barrier systems. Current Opinion in Solid State and Materials Science 8 (2004) 77÷91.
• [2] Soechting F. O.: A design perspective on thermal barrier coatings. Journal of Thermal Spray Technology 8 (4) (1999) 505.
• [3] Clarke D. R., Phillpot S. R.: Thermal barrier coating materials. Materials Today June (2005) 22÷23.
• [4] Podchernyaeva I. A., Panasyuk A. D., Teplenko M. A., Podolskii V. I.: Protective coatings on heat resistant nickel alloys. Powder Metallurgy and Metal Ceramics 39 (9-10) (2000) 434÷444.
• [5] Feuerstein A., Knapp J., Taylor T., Ashary A., Bolcavage A., Hitchman N.: Current thermal barrier coating systems for gas turbine engines by thermal spray, and EB-PVD: A review. Journal of Thermal Spray Technology 17 (2) (2008) 199.
• [6] Tamarin Y.: Protective coatings for turbine blades. ASM International, r. wyd. (2002).
• [7] Xiang Z. D., Burnell-Gray J. S., Datta P. K.: Aluminide coating formation on nickel-base superalloys by pack cementation process. Journal of Materials Science 36 (2001) 5673÷5682.
• [8] Goward G. W., Boone D. H.: Mechanisms of formation of diffusion aluminide coatings on nickel-base superalloys. Oxidation of Metals 3 (5) (1971).
• [9] Godlewska E., Godlewski K.: Chromaluminizing of nickel and its alloys. Oxidation of Metals 22 (3/4) (1984) 117÷131.
• [10] Swadźba L., Maciejny A., Formanek B., Białożyt K.: Kształtowanie struktury oraz właściwości powłok żaroodpornych na łopatkach turbiny. Inżynieria Materiałowa 2 (1989) 57÷63.
• [11] Squillace A., Bonetti R., Archer N. J., Yeatman J. A.: The control of the composition and structure of aluminide layers formed by vapour aluminizing. Surface & Coatings Technology 120-121 (1999) 118÷123.
• [12] Haynes J. A., Lance M. J., Pint B. A., Wright I. G.: Characterization of commercial EB-PVD TBC systems with CVD (Ni, Pt)Al bond coatings. Surface & Coatings Technology 146-147 (2001) 140÷146.
• [13] Das D. K., Singh V., Joshi S. V.: Evolution of aluminide coating microstructure on nickel-base cast superalloy CM-247 in a single-step high-activity aluminizing process. Metallurgical and Materials Transactions A 29A (1998) 2173÷2188.
• [14] Poręba M., Ziaja W., Kubiak K.: Mikrostruktura i żaroodporność warstwy aluminidkowej wytworzonej na podłożu nadstopu René 77 w niskoaktywnym procesie CVD. Inżynieria Materiałowa 6 (2008).
• [15] Warnes B. M., Punola D. C.: Clean diffusion coatings by chemical vapour deposition. Surface & Coatings Technology 94-95 (1997) 1÷6.
• [16] Hou P. Y. Tołpygo V. K.: Examination of the platinum effect on the oxidation behavior of nickel-aluminide coatings. Surface & Coatings Technology 202 (2007) 623÷627.
• [17] Swadźba L., Nawrat G., Mendala B., Góral M.: The influence of deposition process on structure of platinum-modifed aluminide coatings on Ni- -base superalloy. Key Engineering Materials 465 247÷250.
• [18] Angenete J., Stiller K.: Comparison of inward and outward grown Pt modified aluminide diffusion coatings on a Ni based single crystal superalloy. Surface & Coatings Technology 150 (2002) 107÷118.
• [19] Pint B. A., More K. L., Wright I. G.: Effect of quaternary additions on the oxidation behaviour of Hf-doped NiAl. Oxidation of Metals 59 (3/4) (2003).
• [20] Li M. J., Sun X. F., Guan H. R., Jiang X. X., Hu Z. Q.: Effect of palladium incorporation on isothermal oxidation behavior of aluminide coatings. Oxidation of Metals 59 (5/6) (2003) 483÷502.
• [21] Li M. J., Sun X. F., Guan H. R., Jiang X. X., Hu Z. Q.: Cyclic oxidation behavior of palladium-modified aluminide coating. Surface & Coatings Technology 167 (1) (2003) 106÷111.
• [22] Bose S., DeMasi-Marcin J.: Thermal barrier coating experience in gas turbine engines at Pratt & Whitney. Journal of Thermal Spray Technology 6 (1) (1997) 99÷104.
• [23] Scrivani A., Bardi U., Carrafiello L., Lavacchi A., Niccolai F., Rizzi G.: A comparative study of high velocity oxygen fuel, vacuum plasma spray, and axial plasma spray for the deposition of CoNiCrAlY bond coat alloy. Journal of Thermal Spray Technology 12 (4) (2003) 504÷507.
• [24] Materiały informacyjne firmy Praxair, USA.
• [25] Dong Z. L., Khor K. A., Gu Y. W.: Microstructure formation in plasma- -sprayed functionally graded NiCoCrAlY/yttria-stabilized zirconia coatings. Surface & Coatings Technology 114 (1999) 181÷186.
• [26] Pant B. K., Arya V., Mann B. S.: Development of low-oxide MCrAlY coatings for gas turbine applications. Journal of Thermal Spray Technology 16 (2) (2007) 275.
• [27] Refke A., Hawley D., Doesburg J., Schmid R. K.: LPPS thin film technology for the application of TBC systems. Materiały Konferencyjne, Thermal Spray 2005: Thermal Spray connects: Explore its surfacing potential (DVS-ASM) (2002) 438÷443.
• [28] Von Niessen K., Gindrat M., Refke A.: Vapor phase deposition using plasma spray-PVD. Journal of Thermal Spray Technology 19 (1-2) (2010) 503.
• [29] Hospach A., Mauer G., Vaßen R., Stover D.: Columnar-structured thermal barrier coatings (TBCs) by thin film low-pressure plasma spraying (LPPS- -TF). Journal of Thermal Spray Technology 20 (1-2) (2011) 117.
• [30] Wolfe D. E., Jogender Singha R., Miller A., Jeff I. Eldridge, Dong-Ming Zhub: Tailored microstructure of EB-PVD 8YSZ thermal barrier coatings with low thermal conductivity and high thermal reflectivity for turbine applications. Surface & Coatings Technology 190 (1) (2005) 132÷149.
• [31] Schulz U., Bernardi O., Ebach-Stahl A., Vassen R., Sebold D.: Improvement of EB-PVD thermal barrier coatings by treatments of a vacuum plasma-sprayed bond coat. Surface & Coatings Technology 203 (2008) 160÷170.
• [32] Schulz U., Fritscher K., Leyens C.: Two-source jumping beam evaporation for advanced, EB-PVD TBC systems. Surface & Coatings Technology 133-134 (2000) 40÷48.
• [33] Matsumoto M., Wada K., Yamaguchi N., Kato T., Matsubara H.: Effects of substrate rotation speed during deposition on the thermal cycle life of thermal barrier coatings fabricated by electron beam physical vapor deposition. Surface & Coatings Technology 202 (2008) 3507÷3512.