Теплопроводность и термоциклическая долговечность конденсационных термобарьерных покрытий

Abstract

Проанализированы существующие способы снижения теплопроводности слоя ZrO₂-Y₂O₃ современных термобарьерных покрытий. Приведены результаты исследований теплопроводности некоторых вариантов внешнего керамического слоя ZrO₂-8 мас. % Y₂O₃ толщиной 190 мкм, полученных способом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме при различных значениях температуры подложки, включая градиентный слой ZrO₂-8 мас.%Y₂O₃+ Gd₂O₃ толщиной 150 мкм, в интервале температуры измерений 20...1000 °С. Представлены результаты исследований структуры и свойств (микротвердости и термоциклической долговечности) градиентных термобарьерных покрытий на образцах из жаропрочного сплава ЖС32ВИ и CMSX-4, содержащих металлический жаростойкий слой NiCoCrAlY или NiAl, а также внешний керамический слой ZrO₂-Y₂O₃, осажденный при различных технологических параметрах. Показано, что перспективными направлениями для снижения теплопроводности внешнего керамического слоя до уровня 0,9...1,1 Вт/мрК без существенного снижения (не более 10 %) их термоциклической долговечности является осаждение керамического слоя с градиентной микроструктурой путем введения в его состав редкоземельных оксидов, а также постепенное снижение температуры подложки (защищаемой детали) в процессе нанесения покрытия.

Existing methods of reducing the heat conductivity of ZrO₂—Y₂O₃ layer of modern thermal barrier coatings were analyzed. Given are the results of investigations of heat conductivity of some variants of external ceramic layer ZrO₂—8 mass.% Y₂O₃ of 190 μm thickness, produced by the method of electron beam evaporation and condensation in vacuum at different values of substrate temperature, including the gradient layer ZrO₂—8 mass.% Y₂O₃ + Gd₂O₃ in the 20...1000 °C interval of temperature measurements. Presented are the results of investigations of structure and properties (microhardness and thermocyclic life) of gradient thermal barrier coatings on samples of high-temperature alloy ZhS32VI and CMSX-4, containing a metallic high-temperature layer of NiCoCrAlY or NiAl, and also the external ceramic layer ZrO₂—Y₂O₃, deposited at different technological parameters. It is shown that challenging directions for reducing the heat conductivity of external ceramic layer to the level of 0.9...1.2 W/m⋅K without the noticeable reduction (not more than 10 %) of their thermocyclic life is the deposition of ceramic layer with a gradient microstructure by adding of rare-earth oxides into its composition, as well as a gradual reduction in temperature of the substrate (part being protected) in the process of coating deposition.