Verification investigation of advanced technologies improving durability of the components of engines used in European aircraft industry

Abstract

Procesy otrzymywania powłok dyfuzyjnych stosowane są od ponad pół wieku i stanowią opłacalny sposób zwiększania odporności na korozję i utlenianie stopów, przez wzbogacenie ich warstwy wierzchniej w pierwiastki takie jak np. Al, Si czy Cr. Powłoki aluminidkowe są stosowane na szeroką skalę, jako ochrona łopatek kierujących oraz wirujących wykonanych z nadstopów niklu, pracujących w gorącej części turbin gazowych, w celu zwiększenia ich odporności na utlenianie oraz korozję. Wzrost trwałości lub temperatury pracy łopatek turbin umożliwiają powłokowe bariery cieplne (Thermal Barrier Coatings – TBC) stanowiące system powłok składających się z zewnętrznej powłoki tlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru (ZrO2 • Y2O3) o bardzo niskim współczynniku przewodnictwa cieplnego (~1 W•m-1•K-1) oraz dyfuzyjnej międzywarstwy aluminidkowej modyfi kowanej platyną. Ze względu na wysoki koszt platyny poszukuje się tańszej alternatywy, którą może być np. pallad. W artykule scharakteryzowano aspekty technologiczne oraz badawcze związane z rozwojem pokryć ochronnych stosowanych na łopatkach turbin nowoczesnych silników lotniczych. Przedstawiono wyniki badań realizowanych w Zakładzie Badań Właściwości i Struktury Materiałów Instytutu Metalurgii Żelaza we współpracy z przemysłem lotniczym, Politechniką Śląską oraz ośrodkami zagranicznymi – DLR German Aerospace Center i Fraunhofer IST, mających na celu opracowywanie nowych parametrów technologicznych wytwarzania powłok oraz określenie ich wpływu na skład chemiczny, mikrostrukturę oraz właściwości mechaniczne powłok i stopów. Bardzo silny nacisk w pracach badawczych realizowanych w IMŻ kładzie się na procesy wzrostu i degradacji zarówno powłok żaroodpornych jak i stopów żarowytrzymałych na skutek utleniania wysokotemperaturowego i korozji. Jednym z zasadniczych problemów, na jaki napotyka się w ocenie wpływu powłok na ich właściwości ochronne jest wyjaśnienie mechanizmu oddziaływania pierwiastków na poziomie substruktury. Wyjaśnienie zagadnień związanych z procesami wzrostu i degradacji powłok, zachodzącymi w skali mikro i nano możliwe jest dzięki osiągnięciom w rozwoju nowoczesnej aparatury badawczej, a w szczególności mikroskopii elektronowej.The processes of obtaining diffusion coatings have been used for more than half of the century, and constitute profi tablemanner of improving corrosion and oxidation resistance of alloys, by enriching their surface layer in elements such as e.g. Al, Si or Cr. Aluminide coatings are widely used as protection of guide and spinning blades made of nickel superalloys, operating in hot part of gas turbines, in order to improve their resistance to oxidation and corrosion. Increase in durability or temperature of turbine blades operations is facilitated by Thermal Barrier Coatings – constituting the system of coatings composed of outer coating of zirconium oxide stabilized with yttrium oxide (ZrO2 • Y2O3) of very low thermal conductivity coefficient (~1 W•m-1•K-1) as well as diffusion aluminide interlayer modified with platinum. Due to very high cost of platinum, a cheaper alternative is sought, which might be e.g. palladium. The article characterizes technological and research aspects related to development of protective coatings used on turbine blades of advanced aircraft engines. It presents results of research conducted at Department of Investigations of Properties and Structure of Materials of Instytut Metalurgii Żelaza in cooperation with aircraft industry, Silesian University of Technology and foreign institutions – DLR German Aerospace Center and Fraunhofer IST, aimed at development of new technological parameters of coatings production as well as determining the impact thereof on chemical composition, microstructure and mechanical properties of coatings and alloys. Considerable emphasis in research studies realized at IMŻ is put to growth and degradation processes both of heat resistant coatings and heat proof alloys as a result of high temperature and corrosion. One of the fundamental problems encountered in assessment of the impact of coatings on their protective properties is explanation of the mechanism of elements’ impact at the level of substructure. Explanation of the issues related to the processes of growth and degradation of coatings occurring on micro- and nano scale is possible, owing to achievements in development of advanced research equipment and in particular – electron microscopy