28
Июнь
2019

 

Анализ диффузии кислорода через керамический слой теплозащитного покрытия

 

Рост TGO (Thermally Grown Oxide) в ходе эксплуатации газотурбинного двигателя - один из самых важных факторов, определяющих срок службы теплозащитного покрытия. Формирование оксидов роста неизбежно и целью разработчиков является образование оксидов оста в виде α-Al2O3, чтобы его рост является медленным, однородным и бездефектным. Такой оксид роста имеет очень низкую проводимость по кислороду и благодаря этому создает превосходный диффузионный барьер, замедляя дальнейшее окисление металлического подслоя. По достижении определенной толщины TGO (5-7 мкм) верхний керамический слой теплозащитного покрытия скалывается из-за напряжений роста и термических напряжений, связанных с рассогласованием коэффициентов термического расширения (КТР). Таким образом, для увеличения ресурса теплозащитного покрытия необходимо снижение скорости диффузии кислорода через керамический слой теплозащитного покрытия.

Задача: продление ресурса деталей горячего тракта энергетических газотурбинных установок большой мощности.

 

Решение: работы по изучению границы раздела керамика-жаропрочный подслой выполняются на двулучевой аналитической системе FEI Versa 3D, оснащенной энерго-дисперсионным анализатором EDAX. Элементный анализ проводится при ускоряющем напряжении электронного пучка 30 kV. Электронный зонд, сфокусированный в точке интереса на образце, генерирует характеристическое рентгеновское излучение, которое регистрируется твердотельным SDD детектором. Таким образом, в заданной точке регистрируется полный спектр характеристического излучения и определяется элементный состав, качественный и количественный, по всем элементам, кроме H, He, Li и Be. Локальность анализа определяется размером электронного зонда и в общем случае составляет порядка 1 мкм. Для выявления структурных особенностей и фазового состава область интереса картируется по элементному составу.

 

 Рисунок 1 – Результаты рентгеноспектрального микроанализа на границе раздела теплозащитное покрытие (ZrO2-Y2O3) и жаростойкий подслой состава Ni–Co-Cr–Al–Ta–Y

 

Рисунок 1 – Результаты рентгеноспектрального микроанализа на границе раздела теплозащитное покрытие (ZrO2-Y2O3) и жаростойкий подслой состава Ni–Co-Cr–Al–Ta–Y.

 

Выводы:

 

  • Описанная методика позволяет качественно оценить область диффузии кислорода на границе TGO.
  • Защитная пленка TGO исключает любые взаимодействия между поверхностью основного сплава и внешней коррозийной окружающей средой.
  • Окисление границы между керамическим слоем и металлическим подслоем приводит к образованию и росту на этой границе оксидного слоя, который уменьшает адгезию между керамическим слоем и подслоем, приводя скалыванию керамического слоя.

Используемое оборудование:

 

 

 

 Двулучевая аналитическая система FEI Versa 3D ESEM

Ускоряющее напряжение – от 200 V до 30 кV

Разрешение в режиме высокого вакуума при 30 кV (HiVac) -  1,2 нм

Разрешение в режиме низкого вакуума при 30 кV (LoVac) -  2,5 нм

Разрешение в режиме «естественной среды» при 30 кV (ESEM) -  1,5 нм

Минимальный шаг реза – 10 нм

Детекторы – ETD, ICE, DBS, ICD

Определяемые элементы – от 3B до 235U