Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ДЕТАЛЬ И СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА НЕЕ
ДЕТАЛЬ И СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА НЕЕ

ДЕТАЛЬ И СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА НЕЕ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Деталь, в частности лопатка газовой турбины, содержит основную часть и расположенный на ней керамический теплоизоляционный слой, характеризующийся структурой с керамическими столбиками, в большинстве ориентированными перпендикулярно поверхности основной части, со средним диаметром столбиков от 0,5 до 2,5 мкм. Способ нанесения теплоизоляционного слоя включает ионизацию инертного газа в свободной от кислорода атмосфере, отделение ионизированным инертным газом от катодного материала атомов металла, перенос атомов металла вместе с инертным газом в направлении основной части с подведением кислорода при ее достижении, так что образуется оксид металла, осаждаемый на основную часть. Возможно также осаждение металла с окислением попадающим на него кислородом, при этом во всех случаях основную часть нагревают до температуры образования центров кристаллизации свыше 800oС. Техническим результатом является повышение стойкости к высокотемпературным переменным нагрузкам. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2194798
Класс(ы) патента: C23C14/08, C23C14/38
Номер заявки: 99108464/02
Дата подачи заявки: 23.09.1997
Дата публикации: 20.12.2002
Заявитель(и): СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE)
Автор(ы): БЕЕЛЕ Вольфрам (DE); ЮНГ Томас (DE); БРАНД Петер-Йохен (DE)
Патентообладатель(и): СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE)
Описание изобретения: Изобретение относится к детали, в частности к лопатке газовой турбины, содержащей основную часть и расположенный на ней теплоизоляционный слой, который имеет столбчатую структуру с керамическими столбиками, которые в большинстве направлены в основном перпендикулярно поверхности основной части. Кроме того, изобретение относится к устройству для нанесения покрытия для изготовления на основной части теплоизоляционного слоя, в частности системы теплоизоляционных слоев, а также способ нанесения теплоизоляционного слоя на основную часть в вакууме.
Из US-PS 5238752 известна система теплоизоляционных слоев с межметаллическим покрытием для придания сцепляемости. Система теплоизоляционных слоев нанесена на металлическую основную часть, в частности на хром-кобальтовую сталь лопатки самолетного двигателя. В качестве других материалов для основной части указаны кобальтовые сплавы, соответственно сплавы на основе никеля. Непосредственно на эту металлическую основную часть осаждают межметаллический слой для придания сцепляемости, в частности из алюминита никеля или алюминита платины. К этому межметаллическому слою для придания сцепляемости примыкает тонкий керамический слой из оксида алюминия, на который наносят собственно теплоизоляционный слой, в частности из стабилизированного оксидом иттрия оксида циркония. Этот керамический теплоизоляционный слой из оксида циркония имеет стержнеобразную структуру, причем стержнеобразные столбики направлены по существу перпендикулярно поверхности основной части. За счет этого должно обеспечиваться повышение предельно допустимой циклической температурной нагрузки. Теплоизоляционный слой осаждают на поверхность основной части с помощью способа конденсации из газовой фазы с использованием электронного луча, при этом с помощью электронно-лучевой пушки испаряют из металлооксидного тела оксиды циркония и иттрия. Способ реализуют в устройстве, в котором основную часть предварительно нагревают до температуры около 950 - 1000oС. В процессе нанесения покрытия основную часть вращают в луче из оксида металла. Данных о стержнеобразной структуре зерен, а также о ее свойствах в US 5238752 не содержится. Кроме того, способ конденсации из газовой фазы с использованием электронного луча для изготовления керамических покрытий с стержнеобразной структурой зерен описан в US-PS 5087477, а также в US-PS 5262245, причем осаждение оксида циркония на основную часть происходит в атмосфере кислорода.
Другие способы и примеры нанесения системы теплоизоляционных слоев на лопатку газовой турбины описаны в US-PS 5514482, а также в US-PS 4405659. Согласно US-PS 4405659 с помощью способа конденсации из газовой фазы с использованием электронного луча возможно наносить теплоизоляционный слой из стабилизированного оксидом иттрия оксида циркония, который имеет толщину слоя около 125 мкм и столбчатую структуру. Средняя поверхность поперечного сечения столбика составляет порядка 6,5 мкм2.
В US-PS 4321310, а также в US-PS 4321311 описаны системы теплоизоляционных слоев, которые имеют слой для придания сцепляемости между оксидом циркония и металлической основной частью со сплавом типа MCrAlY. Здесь "М" обозначает один из металлов из ряда кобальт, никель или железо, "Сr" - хром, "А1" - алюминий и "Y" - иттрий. В качестве возможного способа изготовления теплоизоляционного слоя из оксида циркония указан способ конденсации из газовой фазы.
В WO 93/18199 А1 также описано покрытие металлических деталей, в частности лопаток газовой турбины из жаропрочного сплава, многослойной системой с слоем для придания сцепляемости и теплоизоляционным слоем. При этом нанесение теплоизоляционного слоя происходит предпочтительно способом конденсации из газовой фазы с использованием электронного луча, причем можно использовать также другие способы конденсации из газовой фазы, как, например, напыление, а также осаждение с использованием электрической дуги.
В статье "Нанесение тонкого слоя циркония на кремний посредством напыления с помощью потока реактивного газа: влияние бомбардировки частицами с низкой энергией" Т. Юнга и А. Вестфаль в Material Science and Engineering, A 140, 191, с. 528 - 533, описан так называемый способ напыления с помощью реактивного газа для изготовления слоев оксида циркония на полупроводниковых подложках, в частности на основе кремния. При этом способ относится к холодному осаждению оксида циркония, которое приводит к аморфному нарастанию оксида циркония. Это аморфное осаждение происходит при температуре подложки значительно менее 800oС, причем нагревание подложки происходит с потерями непосредственно через опору подложки. Для этого опора сама должна иметь возможность нагревания до температуры около 800oС, так что с учетом возникающих тепловых потерь можно достичь нагревания подложки до свыше 400oС.
К статье относится DD 294511 А5 "Способ и устройство для напыления с помощью потока реактивного газа". Согласно описанному в нем способу инертный газ, в частности аргон, пропускают через полый катод, внутри которого расположен анод, так что происходит ионизация атомов аргона. Они попадают на катод, за счет чего катодный материал попадает во внутреннее пространство катода и выводится из него с потоком инертного газа. Катодный материал является чистым металлом, к которому вне полого катода подводят кислород, так что происходит полное окисление металла, в частности циркония. При этом парциальное давление подводимого кислорода составляет порядка 10-4 Па. Общее динамическое давление в окружении подлежащего покрытию полупроводника составляет примерно 13-24 Па. Скорость осаждения составляет около 15 нм/мин, причем подложка имеет температуру около 400oС. Полый катод выполнен в виде цилиндрической трубки из циркония со степенью чистоты 99,7%.
Альтернативное выполнение полого катода для достижения большей поверхности покрытия и большей скорости осаждения описано в статье "Осаждение с большой скоростью пленок оксида алюминия посредством напыления с помощью потока реактивного газа" Т. Юнга и А. Вестфаль в Surface and Coating Technology, 59, 1993, с.171-176 (к нему относится DE 4235953 А1). Указанный полый катод выполнен линейным в том смысле, что в корпусе расположены рядом друг с другом пластины из циркония. Между каждыми двумя смежными пластинами предусмотрена возможность пропускания потока инертного газа, так что между смежными пластинами образуется плазма из атомов инертного газа. Кроме того, пластины могут иметь охлаждающее устройство, в частности охлаждающие каналы. С помощью полого катода покрывали испытательные тела из кремния, нержавеющей стали и стекла и испытывали прочность слоя оксида алюминия вплоть до 200oС. Данные о структурных свойствах оксидных слоев относительно величины и ориентации зерен в обеих указанных статьях не содержатся.
Задачей изобретения является создание детали с теплоизоляционным слоем, имеющим высокую стойкость относительно высоких тепловых переменных нагрузок, а также способ нанесения такого теплоизоляционного покрытия на нее.
Поставленная задача в отношении детали, содержащей основную часть и расположенный на ней керамический теплоизоляционный слой, характеризующийся структурой с керамическими столбиками, в большинстве ориентированными перпендикулярно поверхности основной части, согласно изобретению решается тем, что средний диаметр столбиков составляет от 0,5 до 2,5 мкм.
Диаметр столбиков теплоизоляционного слоя составляет при этом предпочтительно от 0,5 до 2,0 мкм.
Теплоизоляционный слой содержит металлический слой, нанесенный на основную часть для придания сцепляемости, в частности, из сплава MСrAlY, причем М обозначает один или несколько элементов из ряда железо, кобальт или никель, Сr означает хром, Аl - означает алюминий и Y означает иттрий или один из редкоземельных элементов или алюминид металла.
Деталь дополнительно содержит соединительный слой с оксидом алюминия (Аl2О3), тройным соединением Al-Zr-O; соединением Al-O-N, AlN или соединением AlN - (Al2О3), расположенный между основной частью или металлическим слоем и теплоизоляционным слоем для придания сцепляемости.
Основная часть предпочтительно выполнена металлической, в частности, содержит сплав на основе кобальта или никеля.
Деталь согласно изобретению предпочтительно является лопаткой газовой турбины, в частности направляющей или рабочей лопаткой газовой турбины, или подвергаемым воздействию горячего газа компонентом газовой турбины, например теплоизоляционным экраном.
Что касается способа нанесения на основную часть детали в вакууме теплоизоляционного слоя, включающего ионизацию инертного газа в основном свободной от кислорода атмосфере, отделение ионизированным инертным газом от катодного материала атомов металла, перенос атомов металла вместе с инертным газом в направлении основной части с подведением кислорода при ее достижении, так что образуется оксид металла, осаждаемый на основную часть, или осаждение металла с окислением попадающим на него кислородом, то поставленная задача согласно изобретению решается тем, что основную часть нагревают до температуры образования центров кристаллизации свыше 800oС.
Температуру зарождения центров кристаллизации устанавливают между 950 и 1050oС.
Величины процесса, такие как температура зарождения центров кристаллизации, парциальное давление кислорода, объемный поток инертного газа, выбирают так, что теплоизоляционный слой характеризуется керамическими столбиками с диаметром столбиков менее 2,5 мкм, в частности между 0,5 и 2,0 мкм.
За счет керамического теплоизоляционного слоя обеспечивается тепловая защита, в частности, металлической основной части. Известные керамические структуры являются еще чувствительными по отношению к циклическим тепловым нагрузкам и при некоторых обстоятельствах проявляют склонность к разламыванию и/или отслоению. С помощью микроструктуры с керамическими столбиками, имеющими меньший диаметр, чем достигаемые до настоящего времени диаметры, значительно повышается стойкость относительно температурных переменных нагрузок. Микроструктура с керамическими столбиками со средним диаметром столбиков менее 2,5 мкм, в частности между 0,5 и 3,0 мкм, имеет высокое допустимое растяжение и высокую стойкость к циклическим нагрузкам на основании их ориентации в основном перпендикулярно поверхности основной части и тонкой столбчатой структуры. За счет этого хорошо компенсируются различия коэффициентов теплового расширения, в частности, металлической основной части и керамического теплоизоляционного слоя. Такой небольшой диаметр столбиков можно достичь с помощью способа напыления с помощью потока реактивного газа, разработанного для высоких температур.
Для хорошего соединения керамического теплоизоляционного слоя с металлической основной частью, в частности, из сплава на основе никеля или других сплавов, пригодных для изготовления деталей для больших тепловых нагрузок, на основную часть наносят металлический слой для придания сцепляемости. Относительно толщины слоя в несколько микрон можно сослаться на US-PS 5238752, US-PS 4321310, а также US-PS 4321311. Металлический слой для придания сцепляемости состоит предпочтительно из сплава типа MCrAlY, причем "М" обозначает один или несколько элементов из ряда кобальт, никель или железо, "Сr" - хром, "Аl" - алюминий и "Y" - иттрий или один из редкоземельных элементов. В качестве металлического слоя для придания сцепляемости пригодно также межметаллическое соединение, как, например, алюминит никеля или алюминит платины.
Кроме того, является предпочтительным, в частности, в отношение продления срока службы и сцепления теплоизоляционного слоя с основной частью получать химическую связь теплоизоляционного слоя с металлическим слоем для придания сцепляемости. Это достигается, например, с помощью тонкого слоя из оксида алюминия (Аl2О3). В качестве соединительного слоя пригоден также слой из тройного соединения Al-Zr-O или соединение Al-O-N. Тройное соединение Al-Zr-O, например Al2Zr2O7, пригодно предпочтительно для присоединения теплоизоляционного слоя, который имеет цирконий. Для других керамических теплоизоляционных слоев, например из оксида магния, могут использоваться другие шпинели. Кроме того, пригодным является слой из нитрида алюминия или соединение (смешанный слой) из нитрида алюминия и оксида алюминия.
Теплоизоляционный слой содержит предпочтительно металлокерамическое вещество, в частности, оксид циркония (ZrO2). Этот оксид металла изготавливают для предотвращения фазового превращения при высоких температурах с стабилизатором, например оксидом иттрия (Y2О3). В оксид циркония добавлено предпочтительно от 3 до 12 мас.%, в частности 7 мас.% оксида иттрия.
Керамический теплоизоляционный слой с тонкой столбчатой структурой со средним диаметром столбиков менее 2,5 мкм особенно пригоден для тепловой защиты деталей газовой турбины, на которые воздействуют циклические температурные нагрузки более 1000oС. К ним относятся прежде всего лопатки газовой турбины, а также компоненты теплозащитного экрана камеры сгорания газовой турбины. Это относится как к стационарным газовым турбинам для использования в электростанциях, так и к самолетным турбинным двигателям. Естественно, теплоизоляционный слой согласно изобретению пригоден также для других деталей, подвергаемых высоким температурным нагрузкам.
Задача, направленная на устройство для изготовления теплоизоляционного слоя на основной части, решается с помощью устройства, которое содержит удерживающее устройство для расположения основной части, полый катод, который выполнен с возможностью прохождения через него инертного газа, содержит катодный материал и анод, имеет обращенное к удерживающему устройству отверстие для выхода газа, а также отверстие для входа инертного газа, и дополнительное отдельное устройство для нагревания основной части.
В полом катоде, который выполнен в виде полого цилиндра с круглым или прямоугольным поперечным сечением, за счет приложения постоянного напряжения между катодом и анодом создают тлеющий разряд. Анод может быть выполнен, например, в виде стержня и быть расположен внутри или вне катода, в частности, охватывать катод как корпус. За счет возникающей в катоде плазмы в любом случае между плазмой и катодом имеется такое большое падение напряжения, что поддерживается постоянная ионизация. За счет этого входящий через входное отверстие инертный газ ионизируется внутри полого катода. Ионизированные атомы инертного газа попадают на включенные в качестве катода металлические поверхности полого катода наподобие ионной бомбардировки и приводят к по меньшей мере частичному распылению металлических поверхностей. Катодный материал состоит предпочтительно из сплава циркония, в результате чего за счет ионной бомбардировки из катодного материала выбиваются атомы циркония или пучки атомов циркония. В соответствии с желаемой стабилизацией окисляемого, затем и осаждаемого на основную часть циркония в катодный материал подмешивают стабилизирующий металл, например иттрий. В соответствии с этим катодный материал имеет заданное соотношение поверхностей или объемов металлического циркония и иттрия.
Для окисления циркония, а также примешанного иттрия в устройстве предусмотрен ввод окисляющего средства вне полого катода, через который можно подводить в соответствующем количестве кислород. С потоком инертного газа, в частности аргона, из полого катода выносятся присутствующие частицы циркония и иттрия в виде атомов металлов и/или пучков атомов металлов. Вне полого катода они полностью окисляются в созданной реактивной атмосфере кислорода. Это происходит за счет подачи кислорода через ввод окисляющего средства так, что в соединении с потоком инертного газа предотвращается проникновение кислорода в полый катод, так что в значительной степени предотвращается окисление катодного материала. Окисленные частицы металлов оседают на основную часть в виде металлооксидного керамического теплоизоляционного слоя. Окисление может происходить также непосредственно после оседания на поверхность основной части. Для достижения желаемой столбчатой структуры производят соответствующее регулирование давления внутри устройства для нанесения покрытия, а также температуры, прежде всего температуры основной части. Ее с помощью нагревательного устройства нагревают до температуры свыше 900oС, в частности до 950 - 1050oС.
С помощью устройства для нанесения покрытия для реализации высокотемпературного способа напыления с помощью газового потока достигается разделение рабочей атмосферы для ионизации инертного газа (источник плазмы) и подлежащей покрытию детали. По сравнению с обычными способами конденсации из газовой фазы с использованием электронного луча задаются диапазоны значений других характеристик, таких как остаточное давление газа (вакуумное давление, необходимый уровень насосов вакуумной системы), рабочее давление, а также соотношение реактивного газа (кислорода) и остальных рабочих газов. Атмосфера у подлежащей покрытию детали для проведения способа может иметь остаточное давление газа 10-3 мбар, причем верхняя граница остаточного давления может составлять порядка 10-2 мбар. Рабочее давление у детали (в главной камере для нанесения покрытия) может составлять порядка 0,2 - 0,9 мбар. Отношение реактивного газа (кислорода) к ионизированному инертному газу (плазме), например аргону, может составлять от 0,01 до 0,04.
Атмосфера источника плазмы в основном отделена от атмосферы детали и имеет остаточное давление газа порядка остаточного давления газа на детали. Рабочее давление газового потока может быть примерно на 0,02 мбар выше, чем рабочее давление у детали. Тем самым за счет выхода газа из источника определяется рабочее давление у детали, т.е. в главной камере устройства для нанесения покрытия. Таким образом, в полом катоде имеется избыток давления по сравнению с главной камерой. Соотношение остаточных газовых составляющих, в частности, кислорода к ионизированному инертному газу (газовой плазме) составляет предпочтительно менее 1%. За счет этого источник ионизации (полый катод) может работать в режиме постоянного напряжения, так как не происходит окисления источника покрытия (полого катода) с нестабильным рабочим состоянием. За счет этого предотвращается возникновение тлеющего разряда, а также создание электродуговой плазмы вследствие окисления катодного материала.
Тем самым по сравнению с известными устройствами для проведения способов конденсации из газовой фазы, в частности способа конденсации из газовой фазы с использованием электронного луча, возможно значительно более высокое остаточное давление газа, что приводит к более простой и дешевой вакуумной системе. Остаточное давление газа в известных установках для достижения столбчатого теплоизоляционного слоя находится в диапазоне от 10-6 до 10-7 мбар. Рабочее давление в обычных способах находится в диапазоне от 10-3 до 10-2 мбар с технически целесообразной верхней границей менее 0,1 мбар и тем самым значительно ниже возможного рабочего давления в способе напыления с помощью реактивного газового потока. Кроме того, в известных способах конденсации из газовой фазы необходимо высокое отношение реактивного газа (кислорода) к другим рабочим газам, как, например, аргону, гелию и т.д., равное 10:1 или выше. В устройстве согласно изобретению и в способе согласно изобретению требуется значительно меньшее соотношение, так что подводящие устройства для рабочего газа и реактивного газа можно выполнять значительно более простыми и дешевыми. Кроме того, в известных способах конденсации из газовой фазы источник покрытия находится без развязки в главной камере и тем самым без защиты подвергается окислению. Таким образом, устройство согласно изобретению можно выполнять без высокочастотных генераторов и регулируемых в реальном масштабе времени генераторов постоянного тока.
При этом нагревательное устройство выполнено предпочтительно так, что достигается равномерное нагревание, в частности объемное нагревание основной части. Даже в местах основной части с высокой концентрацией массы и большим частичным объемом достигается равномерная температура зарождения центров кристаллизации для всей основной части.
Вакуум (рабочее давление) внутри устройства для нанесения покрытия составляет предпочтительно менее 1 мбар, в частности, между 0,3 и 0,9 мбар, как, например, 0,5 мбар. Для создания необходимого вакуума предусмотрено устройство вакуумных насосов, которые имеют простую конструкцию, например вакуумный насос Рутса. По сравнению с обычным способом конденсации из газовой фазы с использованием электронного луча, в котором для достижения высокого разряжения необходимо предусматривать предварительный пластинчатый насос и диффузионный насос, устройство вакуумных насосов в способе напыления с помощью газового потока можно выполнять значительно проще и дешевле.
Для достижения возможно равномерного покрытия детали, в частности лопатки газовой турбины, удерживающее устройство выполнено с возможностью перемещения основной части относительно отверстия для выхода газа. Удерживающее устройство содержит предпочтительно поворотный механизм, с помощью которого происходит непрерывное вращение детали вокруг ее продольной оси.
Задача, направленная на способ покрытия основной части в вакууме теплоизоляционным слоем, решается тем, что инертный газ ионизируют в по существу свободной от кислорода атмосфере. Это происходит, например, за счет того, что инертный газ пропускают через полый катод и ионизируют его в нем. Ионизированные атомы инертного газа извлекают из металлического катодного материала атомы металла или пучки атомов металлов, которые выводят из полого катода вместе с инертным газом и оксидируют вне полого катода кислородом в оксид металла. Возможно также, что металл осаждается на основной части и там окисляется приходящим кислородом. Оксид металла осаждают на основной части, которая с помощью отдельного нагревательного устройства нагрета на заданную температуру зарождения центров кристаллизации и конденсации. За счет этого на основной части получают теплоизоляционный слой из оксида металла, который имеет тонкую столбчатую микроструктуру, причем средний диаметр столбиков может составлять менее 2,5 мкм, в частности между 0,5 и 2,0 мкм. Этот теплоизоляционный слой имеет особенно высокую стойкость по отношению к термомеханическим нагрузкам, что является особенно предпочтительным, в частности, для находящихся под воздействием горячего газа частей газотурбинной установки, например, лопаток газовой турбины и изоляционных компонентов.
В противоположность известным способам конденсации из газовой фазы с использованием электронного луча используют в качестве катодного материала чистый металл или сплав из главного металла и по меньшей мере одного стабилизирующего металла. Для этого пригоден предпочтительно сплав из циркония и иттрия, причем иттрий добавляют в цирконий в таком количестве и с таким распределением, что возникает теплоизоляционный слой из оксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия.
Естественно, что в качестве катодного материала пригодны также другие металлы, как, например, магний. Применение металлического катода вместо тела из оксида металла, которое используют, например, в известном способе конденсации из газовой фазы с использованием электронного луча, имеет то преимущество, что получаемый теплоизоляционный слой имеет значительно более тонкую структуру. Кроме того, за счет полностью реактивного процесса окисления отделенных из катодного материала металлических материалов для напыления предотвращается возникновение дефектов слоя, которые могут возникать в способе конденсации из газовой фазы с использованием электронного луча за счет дефектов в керамическом теле, как, например, негомогенная пористость или включения посторонних тел. Кроме того, в противоположность керамическому телу катодный материал можно изготавливать более просто и с более высокой степенью чистоты.
Соединение теплоизоляционного слоя из оксида металла происходит, например, посредством образования гомогенно растущего реактивного слоя оксида алюминия (соединительного слоя) между теплоизоляционным слоем и слоем для придания сцепляемости из металлического сплава типа MCrAlY. Способ напыления с помощью потока реактивного газа с использованием полого катода, через который проходит поток инертного газа, имеет еще то преимущество, что его можно проводить в относительно грубом вакууме с достаточным оседанием оксидов металлов на основной части. По сравнению с известными способами конденсации из газовой фазы с использованием электронного луча со сложным отклонением и фокусированием электронного луча описанный способ отличается простой регулировкой, соответственно управлением величинами процесса, таких как температура зарождения центров кристаллизации, вакуумное давление, парциальное давление кислорода, объемный поток инертного газа, мощность разряда полого катода. Определение величин процесса, необходимых для достижения структуры со средним диаметром столбиков менее 2,5 мкм, происходит на основании диаграммы Торнтона для образования структуры слоя при конденсации из газовой фазы, которая описана Дж.А. Торнтоном, например, в Journal of Vacuum Science Technology, т. 11, 1974, с. 666-670. Здесь описано образование структуры слоя в зависимости от температуры подложки, давления газа в вакуумной камере и содержания энергии в слое для активации обменных диффузионных процессов.
Анод не расходуется, поскольку при расположении в области входа газа он не подвергается покрытию или окислению. Расходуемые части, как, например, анод и катод, могут иметь небольшие размеры, в частности, потому что анод размещен внутри полого катода, и поэтому не подвергается прямой бомбардировке электронами или ионами. Кроме того, анод можно изготавливать с высокой степень чистоты. Кроме того, предпочтительным является то, что подлежащие распылению материалы сами выполняют функцию катода, а не вставляются в виде тела из оксидов металлов с заданным соотношением смеси.
Ниже устройство и способ для изготовления теплоизоляционного слоя на основной части поясняются подробней на примере выполнения с помощью чертежей, на которых изображено:
фиг. 1 - деталь, расположенная в устройстве для нанесения теплоизоляционного слоя и
фиг.2 - продольный разрез детали в увеличенном масштабе.
На фиг. 1 показана схематично и без соблюдения масштаба принципиальная конструкция устройства 15 для нанесения покрытия для выполнения способа напыления с помощью реактивного газового потока. Устройство 15 для нанесения покрытия имеет корпус 23, в котором с помощью устройства 18 вакуумных насосов можно создавать вакуум менее 1 мбар, в частности около 0,5 мбар. Внутри корпуса 23 расположен полый катод 10 с круглоцилиндрическим поперечным сечением. Для покрытия больших деталей могут быть использованы несколько таких цилиндрических полых катодов или линейный катод с прямоугольным поперечным сечением, которые направлены вдоль одной продольной оси. Внутри полого катода 10 расположен стержнеобразный анод 11, который соединен с полым катодом 10 через источник 20 постоянного напряжения. Источник 20 постоянного напряжения создает, например, постоянное напряжение от 400 до 800 В, что приводит к току разряда около 2 А. Полый катод 10 имеет катодный материал 12, который выполнен в виде полого цилиндра или состоит, например, из отдельных пластин, заполняющих внутреннюю стенку полого катода 10. Полый катод 10 имеет внешний корпус с отверстием 14 для входа газа, которое соединено с не изображенным источником газа и через которое инертный газ 19, в частности аргон, входит в полый катод 10. Внешний корпус 25 служит для направления потока инертного газа, предотвращения проникновения реактивного газа в полый катод 10 и экранирования имеющих потенциал катода поверхностей, которые не должны распыляться, в частности, не изображенных охлаждающих пластин катодного материала 12. Напротив отверстия 14 для входа газа полый катод имеет отверстие 13 для выхода газа, из которого инертный газ 19 после прохождения области между катодным материалом 12 и анодом 11 выходит из полого катода 10. Геодезически над отверстием 13 для выхода газа расположен своей выходной областью ввод 16 окислительного средства, через который в корпус 23 может подаваться кислород. Геодезически над вводом 16 окислительного средства в удерживающем устройстве 8 удерживается деталь 1, лопатка газовой турбины с основной частью 2. Удерживающее устройство 8 через источник 22 дополнительного напряжения может быть электрически соединено с полым катодом 10. Прикладываемое между полым катодом 10 и удерживающим устройством, т.е. деталью 1, постоянное напряжение приводит к очистке поверхности детали 1 с помощью ионизированных атомов инертного газа. Удерживающее устройство 8 предпочтительно имеет не изображенное приводное устройство, с помощью которого происходит непрерывное вращение детали 1 вокруг ее продольной оси 24. Геодезически над деталью 1 расположено нагревательное устройство 9 для нагревания детали посредством теплового излучения и/или конвекции. Естественно, что нагревательное устройство 9 в зависимости от требований может быть также расположено на одном геодезическом уровне рядом с деталью 1. Также все указанные конфигурации могут быть выполнены в обратном геодезическом или в горизонтальном расположении.
Для нанесения теплоизоляционного слоя 3, который в увеличенном масштабе показан на фиг. 2, деталь 1 нагревают предпочтительно до температуры свыше 900oС. В полый катод 10 через отверстие 14 для входа газа вводят инертный газ 19. Он на основе существующей в полом катоде 10 разницы напряжений ионизируется в виде тлеющего разряда, причем ионизированные атомы газа попадают на катодный материал 12. Он является предпочтительно чистым металлом, например цирконием, в который примешан с заданным объемным распределением стабилизирующий металл, например иттрий. За счет ионизированных атомов инертного газа от катодного материала 12 отделяются атомы металлов или пучки атомов металлов и транспортируются в потоке инертного газа 19 в направлении детали 1. С помощью подаваемого через ввод 16 для окислительного средства кислорода происходит полное окисление атомов металлов, в частности в оксид циркония и оксид иттрия. Они осаждаются, если расположенный геодезически под деталью 1 экран 21 поворачивают в сторону на основной части 2 детали 1 в виде частично стабилизированного металлооксидного керамического теплоизоляционного слоя 3. За счет вращения детали 1 вокруг ее продольной оси 24 происходит равномерное покрытие детали 1. За счет нанесенного на основную часть 2 металлического слоя 17 для придания сцепляемости, например из железа, никеля и/или кобальта, а также хрома, алюминия, иттрия и наращенного на него соединительного слоя 7, например из оксида алюминия, происходит термически стабильное химическое соединение оксида металла с основной частью 2.
Осаждение оксида металла происходит в виде теплоизоляционного слоя 3 с тонкой столбчатой структурой 4 (см. фиг. 2). Образованные керамические столбики 5 в большинстве ориентированы перпендикулярно поверхности 6 основной части 2 и имеют диаметр столбиков в среднем менее 5,0 мкм, в частности, как показано с помощью опытов, между 0,5 и 3,0 мкм. За счет этой тонкой столбчатой структуры 4 с небольшим диаметром столбиков достигается особенно высокая стойкость теплоизоляционного слоя 3 относительно тепловых переменных нагрузок с разницей температур вплоть до свыше 1000oС.
Следовательно, изобретение отличается тем, что с помощью легко контролируемого и регулируемого процесса на металлическую основную часть осаждают термически стабильный теплоизоляционный слой. Этот теплоизоляционный слой, который через один или несколько промежуточных слоев термомеханически стабильно соединен с металлической основной частью, имеет тонкую столбчатую структуру со средним диаметром столбиков менее 5,0 мкм. Прежде всего за счет этого достигается высокая термическая устойчивость к переменным нагрузкам теплоизоляционного слоя, который за счет этого особенно пригоден для применения на высоко нагружаемых термически деталях, как, например, находящихся под воздействием горячего газа компонентов газотурбинной установки, в частности лопаток газовой турбины и футеровки камеры сгорания.
Формула изобретения: 1. Деталь, содержащая основную часть и расположенный на ней керамический теплоизоляционный слой, характеризующийся структурой с керамическими столбиками, в большинстве ориентированными перпендикулярно поверхности основной части, отличающаяся тем, что средний диаметр столбиков составляет от 0,5 до 2,5 мкм.
2. Деталь по п. 1, отличающаяся тем, что диаметр столбиков теплоизоляционного слоя составляет от 0,5 до 2,0 мкм.
3. Деталь по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что теплоизоляционный слой содержит металлокерамическое вещество, в частности, с оксидом циркония (ZrO2) и стабилизатором, например оксидом иттрия (Y2О3).
4. Деталь по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что дополнительно содержит металлический слой, нанесенный на основную часть для придания сцепляемости, в частности, из сплава MCrAlY, причем М обозначает один или несколько элементов из ряда железо, кобальт или никель, Сr обозначает хром, Аl обозначает алюминий и Y обозначает иттрий, или один из редкоземельных элементов, или алюминид металла.
5. Деталь по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что дополнительно содержит соединительный слой с оксидом алюминия (Аl2О3), тройным соединением Al-Zr-O, соединением Al-O-N, AlN или соединением AlN-Аl2О3, расположенный между основной частью или металлическим слоем и теплоизоляционным слоем для придания сцепляемости.
6. Деталь по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что основная часть выполнена металлической, в частности содержит сплав на основе кобальта или никеля.
7. Деталь по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что является лопаткой газовой турбины, в частности направляющей или рабочей лопаткой газовой турбины, или подвергаемым воздействию горячего газа компонентом газовой турбины, например теплоизоляционным экраном.
8. Способ нанесения на основную часть в вакууме теплоизоляционного слоя, включающий ионизацию инертного газа в основном свободной от кислорода атмосфере, отделение ионизированным инертным газом от катодного материала атомов металла, перенос атомов металла вместе с инертным газом в направлении основной части с подведением кислорода при ее достижении, так что образуется оксид металла, осаждаемый на основную часть, или осаждение металла с окислением попадающим на него кислородом, отличающийся тем, что основную часть нагревают до температуры образования центров кристаллизации свыше 800oС.
9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что температуру зарождения центров кристаллизации устанавливают между 950 и 1050oС.
10. Способ по п. 8 или 9, отличающийся тем, что величины процесса, такие, как температура зарождения центров кристаллизации, парциальное давление кислорода, объемный поток инертного газа, выбирают так, что теплоизоляционный слой характеризуется керамическими столбиками с диаметром столбиков менее 2,5 мкм, в частности между 0,5 и 2,0 мкм.