Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

УДК 697.34

Ильинкова Т. А., д. техн.наук., Шамилов Л. Д. бакалавр техн.наук

Казанскиий Национальный Исследовательский Технический Университет

им А.Н Туполева - КАИ (КНИТУ-КАИ)

E-mail: Pochta20006@bk.ru; E-mail: Shmel.8@mail.ru

Влияние режимов лазерной обработки на микроструктуру керамических теплозащитных покрытий

Проведен количественный анализ распределения пористости в керамическом слое теплозащитных покрытий после лазерной обработки

I. Введение

В последнее десятилетие эффективность газовых турбин значительно выросла. Улучшение эффективности достигается увеличением температуры горения, главным образом за счет применения различных технологий охлаждения, нанесения ТЗП и использования современных супер сплавов. Температура на входе в турбину в стационарной газовой турбине обычно составляет 1100^оС, в современных турбинах приближается к 1500^о С [1,2,3] а в авиадвигателях даже выше. ТЗП широко используются в деталях горячих секций таких, как жаровые трубы, кожухи, лопатки, крыльчатки. Использование ТЗП для деталей газовых турбин хорошо описано в литературе [4,5,6]. При длительных выдержках и воздействии высоких температур в керамическом слое ТЗП происходят процессы спекания.

Процессы спекания уже частично происходят при напылении покрытий , т.к. высокие температуры нагрева частиц, контактное давление при ударе о поверхность материала основы значительно сокращают время спекания покрытия. Анализируя микроструктуры газотермических покрытий, в частности ТЗП, можно удостовериться, что сформированное покрытие представляет собой слоистую совокупность двух перемежающихся фаз: фазы вещества (частицы) и фазы пустоты (поры). Формирование замкнутых пор еще не закончилось, но контакты между частицами уже исчезли, и границы между ними оказываются расположенными в основном перпендикулярно направлению потока частиц. Это состояние порошкового тела можно индентифицировать, как состояние, соответствующее второй стадии спекания, согласно известной классификации Я.Е. Гегузина.

При эксплуатации ТЗП процессы спекания продолжаются и приводят к уплотнению керамики, повышению ее жесткости. Это способствует ее более быстрому разрушению. Таким образом, исследования процессов спекания, возникающих в покрытии и поиски способов снижения скорости их протекания будут способствовать повышению надежности покрытий.

II. Объекты исследования и методики исследования

В настоящей работе исследовалось изменение пористости керамического слоя теплозащитного покрытия на основе оксида циркония, стабилизированного 6-8% оксида иттрия (8Y₂O₃-ZrO₂), под воздействием излучения импульсного волоконного лазера модели FMark-20 RL.

Режимы излучения варьировались по мощности и количеству циклов теплового воздействия (см. таблицу).

Таблица. Режимы лазерной обработки керамического слоя покрытия

№	Количество проходов лазерного излучения N	Выходная мощность излучения Рвых, Вт (%)	Мощность в импульсе Римп, Вт *10^3	Интенсивность излучения q, вт/см^2*10^7
1 (без обработки)	-	-	-	-
2	1	2.5 (12,5)	1.98	3.9
3	1	5 (25)	3.96	7.8
4	1	10 (50)	7.93	15.3
5	1	20 (100)	15.87	31.5
6	2	20 (100)	15.87	31.5
7	4	20 (100)	15.87	31.5
8	6	20 (100)	15.87	31.5
9	12	20 (100)	15.87	31.5

Микроструктурный анализ проведен на универсальном металлографическом микроскопе AXIOVERT 200 MAT с помощью прикладного пакета Axiovision при увеличениях 100х.

Количественный анализ пористости керамического слоя, подвергнутого обработке лазерным излучением, был проведен по гистограммам, построенным по результатам измерения площади пор на четырех фотографиях, снятых на одном расстоянии от поверхности керамики. Среднее количество измерений по каждой фотографии составляло не менее 3000. Далее результаты по двум участкам покрытия усреднялись. Обработку данных оценки пористости проводили с построением гистограмм распределения размеров пор с помощью программы Exell.

III. Обсуждение результатов

Установлено, что под воздействием лазерного излучения произошло спекание керамики, что вызвало снижение объемной пористости и усиление неоднородности ее распределения по толщине слоя.

При исследовании микроструктуры на оптическом микроскопе было отмечено, что керамический слой обладает горизонтальной фрагментацией - технологическим дефектом, возникшим из-за большого расхода порошка во время напыления (рис 1).

В структуре покрытия кроме того имеются вертикальные (сегментальные) трещины, которые возникают также при напылении в момент принудительного охлаждения пластины, которое является нужным технологическим приемом, позволяющее снизить внутренние напряжения в покрытии.

В исходном состоянии в покрытии после напыления наблюдается не менее 51% пор, имеющих площадь до 0,1 мкм² (рис.2). Более крупные поры присутствуют в значительно меньшем количестве. Это говорит о хорошем качестве напыления. Сравнение гистограмм, полученных на различных участках, показывает, что поры различного размера достаточно однородно распределены по сечению покрытия. Степень неоднородности составляет не более 1%.

Однократный импульс лазерного источника различной мощностью от 12,5 до 100% вызывает усиление степени неоднородности размеров пор по сечению. Причем более значительное различие в размерах наблюдается для пор самых малых размеров (до 0,1 мкм²). Различие в количестве таких пор

Рис 1. Расслоение керамического покрытия – дефект, обусловленный режимом напыления

Рис.2.

наибольшее для режима 2 – до 5%. Для режимов 3,4,5, а также для пор других размеров степень неоднородности по-прежнему составляет не более 1-3%. Это свидетельствует о том, что малая мощность лазерного источника, и соответственно малая интенсивность излучения не обеспечивает воздействие на достаточно протяженную площадь покрытия.

Увеличение количества проходов до 2-х при максимальной мощности излучения в 100% не вызывает значимых различий в распределении размеров

по сравнению с одним проходом (циклом).

Увеличение количества циклов до 4-х при максимальной мощности вызывает прирост пор малой площади (до 0,1 мкм²) за счет снижения объемной доли более крупных пор. Очевидно происходит «залечивание» пор размером 0,1-0,3 мкм²: их количество снижается на 2-3% и одновременно настолько же увеличивается количество пор до 0,1 мкм². Этот процесс и можно назвать спеканием, приводящий к уменьшению объемной пористости. Увеличение количества циклов обработки до 6-ти не меняет качественно картину.

Однако увеличение количества проходов (циклов) до 12 (рис.3) вызывает значимую разницу в количестве пор конкретных интервалов. Степень неоднородности покрытия резко увеличивается: разница в количестве пор, имеющих площадь до 0,1-0, 3 мкм² достигает 14%, до 0,2 мкм² – до 5%, до 0,3 мкм² - 4%. Более крупные поры по количеству меняются уже незначительно. Таким образом, наиболее значительные изменения происходят в состоянии пор размером до 0,3 мкм². Именно этот размер пор растет при уменьшении количества пор более крупного размера.

Рис.3.

IV. Выводы

Таким образом, анализ гистограмм показал, что с увеличением количества циклов воздействия лазерного излучения в керамическом слое покрытия усиливается степень неоднородности их распределения. Степень неоднородности покрытия резко увеличивается при максимальном количестве циклов -12.

4. Наиболее значительные изменения происходят в состоянии пор размером до 0,3 мкм². Увеличение количества размер пор данного размера происходит за счет уменьшения количества пор более крупного размера.

Список использованной литературы

1. R. Kamo, W. Bryzik, Tribological and Thermal Barrier Coating for Advanced Adiabatic Engine, in Proceedings of the 4^th International Symposium on Ceramic Materials and Components for Engines, Elsevier Science Publishers Ltd., 1992, p.1260-1275.

2. R. Taylor, J. R. Brandon, P. Morrel, Microstructure, Composition and Property Relashionship of Plasma-Sprayed Thermal Barrier Coating, Surface and Coating technology 50 (1992) 141-149.

3. J. A. Nesbitt, Thermal Modelling of Various Thermal Barrier Coating in a High Heat Flux Rocket Engine, Surface and Coating Technology 130 (2000) 141-151. D. H. Harris, Practical Aspects of Ultra-Thick Thermal Barrier Coating, Journal of Materials for Energy Systems 8 (1986) 267-272.

4. Коломыцев П.Т. Высокотемпературные защитные покрытия для никелевых сплавов - М.: Металлургия.1991. -239c.

5. Абраимов Н.В., Елисеев Ю.С. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. Москва: Интермет Инжиниринг, 2001г. 622с.

6. Елисеев Ю.С., Бойцов А.Г., Крылов В.В., Хворостухин Л.А.. Технология производства авиационных газотурбинных двигателей. Москва: «Машиностроение» 2003г. 512с.