Недавно мы вам рассказывали про новую технологию нанесения термобарьерных покрытий на детали двигателей, которые будут защищать их от коррозии, перегрева и окисления.
Сегодня мы бы хотели углубиться в тему и раскрыть ее для вас более подробно, потому что рассказать есть о чем. Будет интересно!
Начнем с того, что специальные покрытия придумали не вчера, соответствующие изыскания ведутся уже более полувека. К примеру, в Институте электросварки имени Е.О.Патона конденсируемые покрытия активно изучались и развивались еще с 60-х годов прошлого века. В то время термобарьерные покрытия не получили широкое распространение в двигателестроении.
Технология нашла применение в конструкции авиационных газотурбинных двигателей, затем было применена на морских и наземных силовых установках. Исторически первыми компонентами газотурбинных двигателей, для которых серийно изготавливались термобарьерные покрытия, были жаровые трубы камеры сгорания.
Классификация защитных покрытий, в число которых входят и термобарьерные покрытия, довольно разветвленная. Покрытия делятся
· по назначению - декоративные, защитные, упрочняющие, антифрикционные, антикоррозионные и др.,
· по типу и методу получения - лакокрасочные, гальванические, диффузионные и др,
· по химическому составу - металлические, керамические и др.,
· по композиции однослойные, многослойные и др и
· структуре аморфные, нанокомпозитные и др.
Более подробно можно изучить на схеме ниже.
Термобарьерные покрытия выполняют две важнейшие функции: металлический слой отвечает за жаростойкость, а керамический – за теплозащиту.
В газотурбинных двигателях такие покрытия применяются в элементах горячей части, которые дополнительно охлаждаются воздухом. При этом важно, чтобы из-за нанесения материалов детали не становились тяжелее или массивнее, препятствуя поступлению охлаждающего воздуха. Для этого толщина покрытия изготавливается настолько тонко, насколько это возможно.
При этом способ нанесения термобарьерных покрытий на разные детали тоже отличается. Так, на крупные компоненты мощных наземных газотурбинных энергетических установок принято наносить методом воздушно-плазменного напыления из-за их размеров. Если на вращающихся элементах толщина покрытия, как правило, от 100 до 250 мкм, то на неподвижных - от 250 до 500 мкм. В свою очередь, на лопатках сопловых аппаратов и лопатках рабочих колес применение нашел метод электронно-лучевого осаждения.
Сегодня процесс проектирования деталей двигателей с термобарьерными покрытиями значительно эволюционировал. Если раньше это было примитивное формирование тонкого слоя на готовых образцах, то сегодня применяется технология формирования интегральных, градиентных, многослойных структур.
Давайте заглянем «внутрь» термобарьерного покрытия. Что он собой представляет? В большинстве случаев это двухслойная система, сформированная пористым наружным керамическим теплозащитным слоем и связующим слоем на основе окиси алюминия.
Ниже на рисунке представлена типичная микроструктура теплобарьерного покрытия:
Но так ли сильно влияют покрытия на параметры газотурбинного двигателя? На самом деле – очень сильно! При этом можно использовать разные системы покрытий в зависимости от поставленной задачи. Допустим, если нужно улучшить ресурсные характеристики, то применяется одна система, если обеспечить коррозионную стойкость – другая, а если надо обеспечить температурный съем – третья. Или, например, существующие системы покрытий позволяют повысить температуру газа на входе в турбину на величину до 100 градусов или снизить расход охлаждаемого воздуха.
Очевидно, что со временем нанесенные покрытия изнашиваются и истончаются. Для этого в ходе каждого капитального ремонта термобарьерные покрытия обновляются – это абсолютно нормальная практика!
Надеемся, теперь вы имеете более полное представление о покрытиях, применяемых в двигателестроении.