materiale multistrat pentru conditii termice extreme - IPA SA

PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
MATERIALE MULTISTRAT PENTRU CONDITII
TERMICE EXTREME IN AERONAUTICA. INSTALATIE
SI METODA DE TESTARE
Contract CEEX nr X2C30/11.09.2006
Coordonator: Victor Manoliu
Parteneri: Dionezie Bojin, Constantin Valcu, Ion Trusca
Factorii de uzura asociati “pieselor calde” ale turbomotoarelor, cu evidentierea efectului
factorului termic extrem
In cazul motoarelor reactive, aplicarea sistemelor de protectie este necesara deoarece durata
reala de functionare a componentelor este limitata de factorii de uzura si de stres, dar si de
proprietatile termo-mecanice ale materialelor folosite. Regimurile de temperatura si mediul de lucru
sunt decisive pentru selectarea materialelor si sistemului de protectie.
In cazul camerelor de ardere, a turbinelor si motoarelor turboreactive, utilizarea sistemelor de
protectie este absolut necesara avand in vedere regimul de functionare foarte dur. Se citeaza astfel
ca in circa 1h in camera de ardere a unei turbine, poate fi arsa o cantitate de 318.000 kg aer si 6800
kg combustibil, iar gazele de ardere rezultate pot atinge temperaturi de peste 1900°C.
Compresoarele si vanele de stocare, care directioneaza gazele fierbinti spre peretele turbinei
sunt de obicei racite cu aer la temperaturi sub 1100°C. Componentele mentionate sunt evident
degradabile prin oxidare, coroziune la cald si oboseala termica. Solicitarile mecanice in cazul
camerelor de ardere sunt in general minore. In cazul turbinelor aeroreactive materialele sunt supuse
unor medii dinamice de mare viteza ~ (0,5 M) continand O 2 , N 2 , CO 2 , H 2 O si SO 2 , mediile
continand hidrogen sulfurat sunt agresive la temperaturi ridicate.
Coroziunea la cald ("hot corrosion") sau sulfitizarea este un proces care se dezvolta rapid si este
dependent de caracterul oxidant sau reducator al atmosferei de lucru. In mediul oxidant reactia de oxidare
promovata de anhidrida sulfuroasa nu provoaca coroziune importanta pana la un continut de 3g/m 3 de
sulf. In medii sulfuroase cu actiune reducatoare temperatura maxima de lucru a otelurilor refractare trebuie
sa fie cu 100-200°K mai joasa decat cea corespunzatoare mediilor sulfuroase oxidante pentru obtinerea
aceleasi rezistente chimice. In gazele de ardere unde exista vapori de apa, azot, oxigen, compusi sulfurosi,
hidrocarburi, se produc simultan reactii de oxidare, carburare, sulfizare si nitrurare.
Materialele utilizate in constructia camerelor de ardere se aleg in functie de temperatura de
incalzire a pieselor componente in timpul functionarii turbomotoarelor. In camera de ardere aerul
comprimat este amestecat cu carburantul, producandu-se prin ardere temperaturi ale gazului mai
mari de 1600°C. La contactul cu peretele camerei de ardere, din cauza fluxului de aer comprimat
rezidual, temperatura este joasa putand atinge valori maximale cuprinse intre 1000-1300°C .
Tipuri de acoperiri realizate
S-au realizat urmatoarele tipuri de straturi TBC:
1. Duplex NiCoCrAlY/ZrO 2, 20%Y 2 O 3 cu potenţial mai ridicat la testele de şoc termic în
raport cu cele stabilizate numai cu 8% Y 2 O 3 sau CaO, MgO din clasa celor clasice;
2. Triplex de tip FGM – functionally graded materials- cu utilizarea unui strat intermediar între
stratul de legatură NiCoCrAlY şi cel ceramic, ZrO 2 MgO cu o compoziţie chimică mediată
(magneziu, compozit din pulbere mixata din zirconiu nichel crom aluminiu) în vederea
diminuării efectului diferenţelor coeficienţilor de dilatare ale celor două materiale şi
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007
115

PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
tensiunilor induse în timpul şocului termic. Soluţia experimentală ar trebui să inducă şi o
omogenitate structurală superioară în raport cu straturile duplex.
3. Triplex de tipul- NiCoCrAlY/ NiCoCrAlY 90% + Al 2 O 3 10%/ZrO 2 Y 2 O 3 urmărind creşterea
rezistenţei la oboseala termică. În urma unor cercetări efectuate în laboratoarele Lewis
Research Center, Cleveland, Ohio s-a demonstrat că un strat de legatură îmbunătăţit prin
încorporarea de straturi metalice, ceramice sau cermeţi a demonstrat creşterea rezistenţei la
oboseală termică a straturilor TBC depuse prin pulverizare cu plasmă, cu un factor, doi, sau
mai mulţi. În acest sistem, stratul al doilea al stratului de legatură încorporează o dispersie
fină a fazei a doua a particulei (în acest caz alumina) în matricea NiCoCrAlY.
4. NiCoCrAlY/ Al 2 O 3 /ZrO 2 Y 2 O 3 - urmareste cresterea rezistentei la soc termic. Stratul
intermediary functioneaza ca o bariera termica si poate reduce semnificativ extinderea
oxidarii.
5. NiCoCrAlY/ Al 2 O 3 +ZrO 2 Y 2 O 3 / ZrO 2 Y 2 O 3 – prin incorporarea unor particule de Al 2 O 3 in
matricea ceramica a unui strat intermediary se imbunatatesc proprietatile mecanice, creste
duritatea stratului cu aproximativ 40%, reduce tensiunile reziduale si impiedica patrunderea
oxigenului.
6. NiCoCrAlY/ZrO 2 Y 2 O 3 nano – depunerea unui strat cu materiale ceramice nanometrice, creste
performanta sistemului de protectie prin imbunatatirea considerabila a proprietatilor mecanice si
fizice.
7. Duplex de tipul NiCoCrAlY/ZrO 2 Y 2 O 3 CeO 2 , NiCoCrAlY/ZrO 2 Y 2 O 3 TiO 2 rezistente la soc
termic si temperature ridicate
Metoda utilizată pentru obţinerea straturilor ceramice
Metoda utilizată pentru depunerea straturilor de protecţie este depunerea prin metalizare cu
plasmă. Procedeul de depunere cu plasmă este o metoda eficienta si economică folosită pentru obtinerea
unor straturi cu proprietati superioare si performante. Legatura structurală formată între stratul ceramic şi
suportul metalic, în cazul metalizării cu plasmă, permite obţinerea unor depuneri aderente, cu structură
densă şi netedă cu grosime cuprinsă între 0,2 pana la 2-3 mm, funcţie de tipul aplicatiei.
Fig. 1 Realizarea epruvetelor prin procedeul APS
Investigatii morfostructurale
Investigatiile de microscopie electronica pun in evidenta modificarile morfostructurale ale
straturilor de protectie.
In figurile 2, 3, 4, 5 sunt prezentate imagini SEM ale straturilor de protectie ceramice pe baza de
ZrO 2 Y 2 O 3 nanostructrate post depunere si post ciclare. Din micrografiile prezentate se evidentiaza o
116
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007

PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
omogenitate morfostructurala. Se observa o aglomerare a particulelor semitopite in strat atat post depunere
cat si post ciclare. In figura 4 este evidentiaza foarte bine porozitatea stratului inainte de ciclare.
Fig. 2 Imagine SEM ale aglomerarilor de
particule ale ZrO 2 Y 2 O 3
(fara tratament)
Fig. 3 Imagine SEM ale aglomerarilor semitopite
de ZrO 2 Y 2 O 3
(tratament 1000 0 C)
Fig. 4 Imagine SEM a stratului poros de
ZrO 2 Y 2 O 3 cu aglomerari de particule (fara
tratament)
Fig. 5 Imagine SEM a particulei de ZrO 2 Y 2 O 3
de marime 3 microni (tratament 1000 0 C)
In figurile 5, 6, 7, 8 sunt prezentate micrografiile straturilor bariera termica investigate prin
microscopie de transmisie (TEM). Pregatirea probelor s-a facut cu FIB- FEI (FIB – Focused Ion
Beam). iar investigatiile de microscopie cu microscopul TEM EM300-UT, FEI. Din figurile
prezentate se evidentiaza faptul ca legatura strat ceramic/strat de acrosaj este destul de buna. In
figura 8 se pot distinge zonele cu material ceramic (zonele albe) si zonele cu substrat metalic
(zonele intunecate).
Fig. 5. Imagine TEM a stratului nanostructurat
NiCrAlY/ZrO 2 Y 2 O 3
Fig. 6. Imagine TEM a stratului nanostructurat
NiCrAlY/ZrO 2 Y 2 O 3
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007
117

PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
Fig. 7. Imagine TEM a stratului nanostructurat
NiCrAlY/ZrO 2 Y 2 O 3
Fig. 8. Imagine TEM a stratului nanostructurat
NiCrAlY/ZrO 2 Y 2 O 3
Instalatia de soc termic rapid
Parametrii de functionare a instalatiei corespund solicitarilor dure de incalzire – racire cu viteze de
100º/sec.
Fig. 9 Instalatia de soc termic rapid
Parametrii functionali ai instalatiei QTS 1 sunt:
- temperature de testare de la 1200ºC la 1500ºC;
- viteza de racier- incalzire a probei de 100º/sec;
- monitorizarea parametrilor de functionare;
- masaurarea rapida si continua a temperaturii.
Concluzii
Din cadrul ansamblului factorilor de uzura care activeaza simultan asupra “pieselor calde” ale
turbomotoarelor – temperaturi peste 1500C, soc termic rapid, eroziune cu particole pirolizate la
viteze de peste 3 Mach, coroziune, frecare de alunecare, etc – factorul termic actioneaza cel mai
disturbator.
Directiile de cercetare importante vizate de proiect sunt reprezentate de elaborarea de noi solutii
multistrat cu proprietati termice extreme (temperatura, soc termic, bariera termica) si conservarea
proprietatilor tribologice ale materialelor asociate conditiilor, functionale. Validarea solutiilor de
materiale se asigura prin teste si investigatii specifice, verificarea functionala a modelelor materiale
pentru instalatii industriale.
118
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007