Transcript L.SWADZBA ZB 10 06.2011 - pkaero

III KONFERENCJA RADY PARTNERÓW CZT AERONET
i PANELE EKSPERTÓW PROJEKTU 13 – 14 Czerwca 2011 r.
„Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym”
ZB - 10
Nowoczesne pokrycia barierowe na
krytyczne elementy silnika lotniczego
Lider merytoryczny
dr hab. inż. Lucjan Swadźba, prof. Pol. Sl.
dr hab. inż. Ryszard Filip, prof. w Pol. Rz.
Instytucje partnerskie w zadaniu
Politechnika Lubelska, Politechnika Rzeszowska, Politechnika Śląska,
Politechnika Warszawska, Uniwersytet Rzeszowski
I i II kwartał 2011
PROJEKT WSPÓŁFINANSOWANY PRZEZ UNIĘ EUROPEJSKĄ ZE ŚRODKÓW EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU ROZWOJU REGIONALNEGO
Podzadanie 1. POLITECHNIKA LUBELSKA
Modelowanie fizyczne powłokowej bariery cieplnej z uwzględnieniem właściwości
materiału i warunków pracy.
Symulacja CFD - Ansys
Badaniu poddano łopatkę z wykonana warstwą ochronna
o grubości 0.5 mm oraz cylindrycznymi kanałami
chłodzącymi.
Rozważano
różne
ilości
kanałów
chłodzących, ich rozmieszczenie oraz średnice, przy
zachowaniu tych samych warunków brzegowych. W pracy
porównywano efektywność chłodzenia łopatek oraz
poziom naprężeń Misesa w łopatce oraz warstwie
ochronnej TBC.
Symulacja CSM - Abaqus
Rozkłady temperatur
W przypadku nagłego chłodzenia pokrycie TBC
przyczynia się do znacznego spadku naprężeń (około
59%)
Podzadanie 1. POLITECHNIKA LUBELSKA
Modelowanie fizyczne powłokowej bariery cieplnej z uwzględnieniem właściwości
materiału i warunków pracy.
Udziały procentowe temperatur dla łopatek z ilością otworów: 9, 6, 4 oraz 3 z wykonaną powłoką TBC
oraz bez ochrony.
Wzrost efektywności chłodzenia po zastosowaniu pokrycia TBC o około 10%. Podniesienie
sprawności silnika.
Podzadanie 2. POLITECHNIKA ŚLĄSKA
Opracowanie podstaw technologii wytwarzania modyfikowanych powłok aluminidkowych
oraz krzemkowych metodami gazowymi w tym, stanowiących międzywarstwy pod
powłoki TBC otrzymywane metodą EB-PVD na łopatkach kierujących turbiny.
Powłoki modyfikowane krzemem na stopach Nb
Strefa zewnętrzna Al3Nb
Strefa zewnętrzna NbSi2
62% at. Si
72% at. Al
18 mm
22 mm
Strefa dyfuzyjna Nb3Si
20% at. Si
Strefa dyfuzyjna Nb2Al
35% at. Al
Materiał podłoża - Nb
Mikrostruktura powłoki
krzemkowej na Niobie
Materiał podłoża - Nb
Mikrostruktura powłoki
aluminidkowej na Niobie
Podzadanie 2. POLITECHNIKA ŚLĄSKA
Opracowanie podstaw technologii wytwarzania modyfikowanych powłok aluminidkowych
oraz krzemkowych metodami gazowymi w tym, stanowiących międzywarstwy pod
powłoki TBC otrzymywane metodą EB-PVD na łopatkach kierujących turbiny.
Powłoki modyfikowane krzemem na stopach Nb
Strefa zewnętrzna NbSi2
Strefa zewnętrzna
62% at. Si
53% at. Si, 8% at. Al
17 mm
17 mm
Strefa dyfuzyjna Nb3Si
17% at. Si
Strefa wewnętrzna
31% at. Si
3 mm
Materiał podłoża - Nb
Materiał podłoża - Nb
Mikrostruktura aluminiowanej
powłoki krzemkowej na niobie
Mikrostruktura powłoki na niobie
otrzymanej w procesie
jednoczesnego Al - Si
Podzadanie 10. POLITECHNIKA ŚLĄSKA
Wykonanie powłokowych barier cieplnych z wykorzystaniem metody gazowego
aluminiowania pod obniżonym ciśnieniem metodą APS oraz EB-PVD na łopatkach
kierujących turbiny. Badania nieniszczczące powłok.
Podzadanie 10. POLITECHNIKA ŚLĄSKA
Wykonanie powłokowych barier cieplnych z wykorzystaniem metody gazowego
aluminiowania pod obniżonym ciśnieniem metodą APS oraz EB-PVD na łopatkach
kierujących turbiny. Badania nieniszczczące powłok.
Stan wyjściowy
100 h
500 h
1000 h
Podzadanie 10. POLITECHNIKA ŚLĄSKA
Wykonanie powłokowych barier cieplnych z wykorzystaniem metody gazowego
aluminiowania pod obniżonym ciśnieniem metodą APS oraz EB-PVD na łopatkach
kierujących turbiny. Badania nieniszczczące powłok.
Podzadanie 10. POLITECHNIKA ŚLĄSKA
Wykonanie powłokowych barier cieplnych z wykorzystaniem metody gazowego
aluminiowania pod obniżonym ciśnieniem metodą APS oraz EB-PVD na łopatkach
kierujących turbiny. Badania nieniszczczące powłok.
Podzadanie 3. POLITECHNIKA RZESZOWSKA
Opracowanie podstaw technologii oraz parametrów technologii wytwarzania nowych
modyfikowanych powłok aluminidkowych metodą CVD w tym miedzywarstw
stanowiących alternatywę dla międzywarstw typu MeCrAlY pod powłokowe bariery
cieplne.
Badania odporności na korozję wysokotemperaturową warstw aluminidkowych wytworzonych
w procesie standardowym i modyfikowanych hafnem
Kinetyka utleniania nadstopów niklu w temperaturze 1100°C/1000h
po procesie CVD modyfikowanym Hf w temperaturze 1020°C/6h
Kinetyka utleniania nadstopów In 713C i In 713LC: w stanie lanym,
po procesie CVD w temperaturze1050°C/8h (In 713LC +NiAl)
oraz po procesie CVD modyfikowanym Hf (In713C + NiAl +Hf,
In 713LC+NiAl+Hf)
Podzadanie 3. POLITECHNIKA RZESZOWSKA
Opracowanie podstaw technologii oraz parametrów technologii wytwarzania nowych
modyfikowanych powłok aluminidkowych metodą CVD w tym miedzywarstw
stanowiących alternatywę dla międzywarstw typu MeCrAlY pod powłokowe bariery
cieplne.
Badania odporności na korozję
wysokotemperaturową warstw aluminidkowych
wytworzonych
w procesie standardowym i modyfikowanych hafnem
Dyfraktogram aluminidkowej warstwy wytworzonej na podłożu
z nadstopu In100 w procesie CVD w temperaturze 1050°C/8h po
procesie utleniania
Rozkład liniowy pierwiastków na przekroju warstwy
aluminidkowej uzyskanej w procesie CVD w temperaturze 1050°C/8h
po procesie utleniania na podłożu In100 a: Al., b)Ti, c)Cr, d)Ni
Podzadanie 3. POLITECHNIKA RZESZOWSKA
Opracowanie podstaw technologii oraz parametrów technologii wytwarzania nowych
modyfikowanych powłok aluminidkowych metodą CVD w tym miedzywarstw
stanowiących alternatywę dla międzywarstw typu MeCrAlY pod powłokowe bariery
cieplne.
Skład chemiczny warstwy aluminidkowej na
Podłożu Mar-M 247modyfikowanej Hf po utlenianiu
Dyfraktogram aluminidkowej warstwy modyfikowanej Hf
wytworzonej na podłożu z nadstopu MAR-M 247 po procesie utleniania
Rozkład liniowy stężenia pierwiastków na przekroju warstwy
aluminidkowej modyfikowanej Hf po procesie utleniania
w temperaturze 1100°C/1000h na podłożu Mar-M247 :
a) Al, b)Ti, c)Cr, d)Ni
Podzadanie 3. POLITECHNIKA RZESZOWSKA
Opracowanie podstaw technologii oraz parametrów technologii wytwarzania nowych
modyfikowanych powłok aluminidkowych metodą CVD w tym miedzywarstw
stanowiących alternatywę dla międzywarstw typu MeCrAlY pod powłokowe bariery
cieplne.
WNIOSKI:
•Proces utleniania prowadzony w temperaturze 1100°C w czasie 1000h wykazał wzrost odporności na korozję gazową
stopów niklu z wytworzoną warstwą aluminidkową w porównaniu z materiałem podłoża.
•Zastosowanie procesu CVD połączonego z modyfikacją warstwy aluminidkowej hafnem skutkowało wzrostem trwałości w
warunkach korozji gazowej w porównaniu z konwencjonalnym procesem aluminidkowania. Najlepsze właściwości wykazywał
stop Inconel 100.
•Analiza składu chemicznego warstwy aluminidkowej po procesie utleniania wykazała największą zawartość aluminium w
zewnętrznej strefie warstwy oraz zmniejszenie jego zawartości w wewnętrznych strefach warstwy. Ponadto stwierdzono
obecność tlenu jako efektu procesu korozji w atmosferze powietrza. Badania składu fazowego powierzchni po badaniach
korozyjnych ujawniły obecność fazy tlenkowej Al2O3 oraz NiAl, Ni3Al. W warstwie aluminidkowej modyfikowanej Hf
występowała również faza HfO2.
•Badania topografii powierzchni wykazały znaczny wzrost parametrów chropowatości w skutek procesów utleniania.
Największą wartość parametrów stwierdzono po utlenianiu powierzchni bez warstwy aluminidkowej co wiązało się ze znaczną
intensywnością procesów korozyjnych (największy ubytek masy).
Podzadanie 9. POLITECHNIKA WARSZAWSKA
Opracowanie podstaw technologii zwiększania odporności na korozję
wysokotemperaturową oraz zużycie przez tarcie stopów niklu o zawartości 18% Cr ,
Zakres pracy obejmował:
 badania morfologii warstw (HITACHI SU 70);
 określenie składu chemicznego w mikroskali EDS (HITACHI 3500, SU 70);
 określenie składu chemicznego za pomocą spektroskopii strat energii elektronów EELS
(Hitachi HD2700)
 określenie składu chemicznego w nano-skali AES (Auger Electron Spectroscopy);
 określenie udziału objętościowego i współczynnika kształtu wydzieleń (analiza obrazu
ImageProAnalyzer )
 obserwacje fractograficzne przełomów próbek (HITACHI SU 70);
 badania przyczepności warstw do podłoża (mikro-combi-tester MCT).
Podzadanie 9. POLITECHNIKA WARSZAWSKA
Opracowanie podstaw technologii zwiększania odporności na korozję
wysokotemperaturową oraz zużycie przez tarcie stopów niklu o zawartości 18% Cr ,
Morfologie wytworzonych warstw na podłożu stopu niklu Inconel 718 w procesie azotowania
jarzeniowego: (a) w plazmie stałoprądowej, (b) impulsowej o częstotliwości 30kHz
(a)
(b)
Podzadanie 9. POLITECHNIKA WARSZAWSKA
Opracowanie podstaw technologii zwiększania odporności na korozję
wysokotemperaturową oraz zużycie przez tarcie stopów niklu o zawartości 18% Cr ,
Rozkład powierzchniowy pierwiastków na przekroju poprzecznym warstwy typu: CrN+Cr2Ni3 wytworzonej na podłożu stopu niklu Inconel 718 w
procesie azotowania jarzeniowego w plazmie impulsowej o częstotliwości 30kHz
Podzadanie 9. POLITECHNIKA WARSZAWSKA
Opracowanie podstaw technologii zwiększania odporności na korozję
wysokotemperaturową oraz zużycie przez tarcie stopów niklu o zawartości 18% Cr ,
Analiza składu chemicznego cząstek zlokalizowanych na granicach ziaren azotowanego
Impulsowo stopu niklu Inconel 718
CrN
Podzadanie 9. POLITECHNIKA WARSZAWSKA
Opracowanie podstaw technologii zwiększania odporności na korozję
wysokotemperaturową oraz zużycie przez tarcie stopów niklu o zawartości 18% Cr ,
Mikrografie przedstawiające wygląd wydzieleń w podłożu nadstopu niklu
Inconel 718: (a) w stanie wyjściowym, (b) po procesie azotowania
jarzeniowego: w plazmie stałoprądowej, (c) impulsowej o częstotliwości
30kHz
Podzadanie 9. POLITECHNIKA WARSZAWSKA
Opracowanie podstaw technologii zwiększania odporności na korozję
wysokotemperaturową oraz zużycie przez tarcie stopów niklu o zawartości 18% Cr ,
Przełom przez próbkę stopu niklu Inconel 718
z warstwą CrN+Cr2Ni3 wytworzoną w procesie
azotowania jarzeniowego w plazmie
Impulsowej o częstotliwości 30kHz
100
90
80
Nb, Sf = 0.19
N, Sf = 0.175
Cr, Sf = 0.295
Ni, Sf = 0.225
70
Rozkład stężeń pierwiastków (N, Cr, Nb, Ni)
na przekroju poprzecznym warstwy
wytworzonej w procesie azotowania
jarzeniowego w plazmie Impulsowej. Analiza
AES
At.%
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
Distance / mm
40
50
Podzadanie 9. POLITECHNIKA WARSZAWSKA
Opracowanie podstaw technologii zwiększania odporności na korozję
wysokotemperaturową oraz zużycie przez tarcie stopów niklu o zawartości 18% Cr ,
WNIOSKI:
Proces azotowania jarzeniowego nadstopu niklu Inconel 718 zarówno w plazmie
stałoprądowej jak i impulsowej o częstotliwości 30kHz w temperaturze 560C umożliwia
wytworzenie dyfuzyjnych warstw typu: CrN+Cr2Ni3 o grubości ok. 10mm. Wytworzone
warstwy nie zawierają porów, mikropęknięć, a także odporne są na szoki termiczne
(potwierdzają to próby łamania próbek w ciekłym azocie). Po procesie azotowania
jarzeniowego nie obserwowano znaczących różnic w mikrostrukturze podłoża stopu nikluInconel 718
Podzadanie. UNIWERSYTET RZESZOWSKI
Wykonanie platformy dla pomiarów termowizyjnych gorących części silnika przy wzbudzeniu
imitującym komorę spalania silnika odrzutowego
Schemat platformy do prowadzenia badań termowizyjnych
Podzadanie. UNIWERSYTET RZESZOWSKI
Wykonanie platformy dla pomiarów termowizyjnych gorących części silnika przy wzbudzeniu
imitującym komorę spalania silnika odrzutowego
Komora spalania platformy do prowadzenia badań termowizyjnych
Podzadanie. UNIWERSYTET RZESZOWSKI
Wykonanie platformy dla pomiarów termowizyjnych gorących części silnika przy wzbudzeniu
imitującym komorę spalania silnika odrzutowego
Komora spalania platformy do prowadzenia badań termowizyjnych
Podzadanie. UNIWERSYTET RZESZOWSKI
Wykonanie platformy dla pomiarów termowizyjnych gorących części silnika przy wzbudzeniu
imitującym komorę spalania silnika odrzutowego
Łopatki przed wzbudzeniem - obraz
w zakresie IR i widzialnym: łopatka
produkcyjna po lewej oraz z barierą
TBC po prawej
Łopatki w trakcie
wzbudzenia
Łopatki w trakcie
ostygania po czasie
t=30s
Łopatki w trakcie
ostygania po czasie
t=4 min
Dane do wskaźników realizacji celów
projektu
WSKAŹNIKI
Publikacje zgłoszone i przygotowywane
1. T. Sadowski, L. Marsavina, “Multiscale modelling of gradual degradation in Al2O3/ZrO2
ceramic composites under tension”, Mat. Sci. Forum, 638-642 (2010) 2743-2748.
2. K. Nakonieczny, T. Sadowski, Erratum: “Modelling of thermal shocks in composite
materials using a meshfree FEM. Comput. Mat. Sci. 47 (2010) 867.
3. G. Moskal: „Characteristics of selected thermal properties of 8YSZ type powders
produced with different methods”, Europhysical Conference on Defects in Insulating
Materials (EURODIM 2010).
4. G. Moskal: „Characteristics of selected thermal properties of the powders intended for
plasma spraying of ceramic layers”, Europhysical Conference on Defects in Insulating
Materials (EURODIM 2010).
5. G. Moskal, Lucjan Swadźba, Bartosz Witala: „Characteristics of Thermal Properties of
Gd2Zr2O7 – ZrO2xY2O3 Powder Mixtures Intended for Deposition of Gradient Layers of
TBC type”, 6th International Conference on Diffusion in Solids and Liquids: Mass Transfer,
Heat Transfer and Microstructure and Properties.
6. G. Moskal, Lucjan Swadźba, Marek Hetmańczyk, Bartosz Witala: „Characteristics of
phenomena in RE2Zr2O7-Al2O3 type powders in high temperature annealing conditions”,
6th International Conference on Diffusion in Solids and Liquids: Mass Transfer, Heat
Transfer and Microstructure and Properties
7. M.Yavorska, J.Sieniawski, M.Zielińska: „Functional properties of aluminide layer
deposited on Inconel 713 LC Ni-based superalloy in the CVD process”. Archives of
Metallurgy and Materials 1 (56) 2011, 187-192
Dane do wskaźników realizacji celów
projektu
WSKAŹNIKI
Prace doktorskie
•
•
•
P. Golewski: „Modelowanie fizyczne powłokowej bariery cieplnej z uwzględnieniem
właściwości materiału i warunków pracy oraz procesów degradacji” Pol. Lubelska
M. Zawadzki: „Kształtowanie struktury oraz właściwości powłok żaroodpornych na
elementach ze stopu niobu łączonego metodą spawania” – Politechnika Śląska, 2010
Paweł Sosnowy: ”Technologiczne podstawy wytwarzania oraz właściwości
powłokowych barier cieplnych z drążonymi laserem otworami na wybranych elementach
silnika lotniczego”– Politechnika Śląska, 2011
Prace magisterskie
1.
2.
3.
4.
G. Mroczek: „Charakterystyka mikrostruktury powłok żaroodpornych na niobie”
A. Rozmysłowska: „Charakterystyka własności cieplnych warstw TBC” – w toku.
W. Kroker:” Analiza mechanizmów degradacji warstw TBC” – w toku
M. Szewczyk: „Badania struktury powłok na wybranym stopie trudnotopliwym” - w toku
Dane do wskaźników realizacji celów
projektu
WSKAŹNIKI
Udział w konferencjach:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Multiscale model ling of gradual degradation in Al2O3/ZrO2 ceramic composites
under compression, Sadowski T., IV European Conference on Computational
Mechanics, ECCM 2010, Paris, France, May 16-21, 2010.
Post-impact dynamic responses of sandwich plates with foam and honeycomb
cores, Burlayenko V., Sadowski T., IV European Conference on Computational
Mechanics, ECCM 2010, Paris, France, May 16-21, 2010.
The analysis of heat transfer in thermal barrier coatings under real exploitation
conditions, Sadowski T., Golewski P.,6 th International Conference on Diffusion in
solids and liquids, DSL 2010, Paris, France, July 5-7, 2010.
The thermal shock resistance and mechanical properties at elevated temperature of
transparent ceramics, Boniecki M., Librant Z., Sadowski T., Wesołowski W.,4th
International Conference on Advanced Computational Engineering and
Experimenting, ACE-X 2010, Paris, France, July 8-9, 2010
Characteristics of microstructural phenomena in TGO zone of TBC layer of
RE2Zr2O7 type, G. MOSKAL, B. WITALA, R. SWADŹBA, 38th International
Conference On Metallurgical Coatings and Thin Films, May 2-6 2011
R.Swadzba, B.Witala, 38th International Conference On Metallurgical Coatings and
Thin Films, May 2-6 2011
Stan współpracy
z przedsiębiorstwami Doliny Lotniczej
Stan współpracy z przedsiębiorstwami lotniczymi Doliny Lotniczej
• WSK Rzeszów
•technologia wytwarzania powłokowych barier cieplnych TRIPLEX PRO 200
• badania procesów pękania pod wpływem szoków termicznych warstw łopatek kierujących i łopatek I
stopnia turbiny silnika samolotowego
•Avio Polska
•powłoki aluminidkowe na stopach krystalizowanych kierunkowo oraz monokrystalicznych
•możliwość współpracy w zakresie modelowania łopatek turbin silników