Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym

Nowoczesne technologie materiałoweNowoczesne technologie materiałowestosowane w przemyśle lotniczymstosowane w przemyśle lotniczym

Segment nr 10

Nowoczesne pokrycia barierowe naNowoczesne pokrycia barierowe nakrytyczne elementy silnika lotniczegokrytyczne elementy silnika lotniczego

dr hab. inż. Lucjan Swadźba prof. w Pol. Śl., dr hab. inż. Lucjan Swadźba prof. w Pol. Śl., dr hab. inż. Ryszard Filip prof. w Pol. Rz.dr hab. inż. Ryszard Filip prof. w Pol. Rz.

Politechnika Rzeszowska, Politechnika Śląska, Politechnika Lubelska, Politechnika Rzeszowska, Politechnika Śląska, Politechnika Lubelska, Politechnika Warszawska, Uniwersytet RzeszowskiPolitechnika Warszawska, Uniwersytet Rzeszowski

Rzeszów, Czewiec 2010Rzeszów, Czewiec 2010

INNOWACYJNA GOSPODARKANARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym”

II KONFERENCJA PANELE EKSPERTÓW 28 – 29 Czerwca 2010 r.UNIA EUROPEJSKAEUROPEJSKI FUNDUSZ

ROZWOJU REGIONALNEGO

POWŁOKOWE BARIERY CIEPLNE TBC’sPOWŁOKOWE BARIERY CIEPLNE TBC’sPojęciem TBCs (Thermal Barrier Coatings) określa się powłoki, które Pojęciem TBCs (Thermal Barrier Coatings) określa się powłoki, które dzięki niskiej przewodności cieplnej stanowią barierę oddzielającą dzięki niskiej przewodności cieplnej stanowią barierę oddzielającą powierzchnię elementów od strumienia gorących gazów.powierzchnię elementów od strumienia gorących gazów.




Podzadanie 1. POLITECHNIKA LUBELSKAPodzadanie 1. POLITECHNIKA LUBELSKAModelowanie fizyczne powłokowej bariery cieplnej z uwzględnieniem właściwości materiału i Modelowanie fizyczne powłokowej bariery cieplnej z uwzględnieniem właściwości materiału i warunków pracy.warunków pracy.

Zastosowanie programu do symulacji przepływów

Celem badań było wyznaczanie rozkładu

temperatury w objętości łopatki silnika

turbinowego. Rozważano dwa przypadki:

1.łopatka z pokryciem ceramicznym

ochronnym TBC o typowym składzie ZrO2–8

wt% Y2O3 2. łopatka bez pokrycia TBC.

Model umieszczony był w kanale

stanowiącym wycinek wirnika przez

który przepływał gaz spalinowy o

temperaturze 1600 K.




Podzadanie 1cd. POLITECHNIKA LUBELSKAPodzadanie 1cd. POLITECHNIKA LUBELSKAModelowanie fizyczne powłokowej bariery cieplnej z uwzględnieniem właściwości materiału i Modelowanie fizyczne powłokowej bariery cieplnej z uwzględnieniem właściwości materiału i warunków pracy.warunków pracy.

Rozkład temperatury na powierzchni łopatki i pokrycia TBC

Dla łopatki z wykonanym pokryciem główny przedział temperatur przypada na zakres 1325 – 1375 K i stanowi 48,5 %. W łopatce bez wykonanego pokrycia

wspomniany zakres stanowi 22% zaś pozostałe udziały leżą w granicach 1375 – 1500 K. Jest to zarazem dowodem korzystnego wpływu powłoki ochronnej zabezpieczającej przed nadmiernym nagrzewaniem łopatki

podczas pracy.

Łopatka z pokryciem Łopatka bez pokrycia




Cel: Cel:

Opracowanie danych porównawczych właściwości fizycznych materiałów stosowanych Opracowanie danych porównawczych właściwości fizycznych materiałów stosowanych

obecnie (ZrO2xY2O3) na powłokowe bariery cieplne z nowymi materiałami ceramicznymi obecnie (ZrO2xY2O3) na powłokowe bariery cieplne z nowymi materiałami ceramicznymi

modyfikowanymi pierwiastkami ziem rzadkich,modyfikowanymi pierwiastkami ziem rzadkich,

Dobór materiałów powłokowych,Dobór materiałów powłokowych,

Opracowanie danych dotyczących właściwości fizycznych powłokowych barier cieplnych Opracowanie danych dotyczących właściwości fizycznych powłokowych barier cieplnych

wytworzonych z nowych materiałów ceramicznych modyfikowanych pierwiastkami ziem wytworzonych z nowych materiałów ceramicznych modyfikowanych pierwiastkami ziem

rzadkich.rzadkich.

Cel naukowy:Cel naukowy:

Wyjaśnienie mechanizmu oddziaływania pierwiastków ziem rzadkich na właściwości Wyjaśnienie mechanizmu oddziaływania pierwiastków ziem rzadkich na właściwości

fizyczne powłokowych barier cieplnychfizyczne powłokowych barier cieplnych

Podzadanie 4. POLITECHNIKA ŚLĄSKAPodzadanie 4. POLITECHNIKA ŚLĄSKABadania właściwości fizycznych nowych materiałów ceramicznych oraz powłok TBC Badania właściwości fizycznych nowych materiałów ceramicznych oraz powłok TBC zawierających te materiały m.in. Re2Zr2O7 o strukturze pyrochlorów modyfikowanych zawierających te materiały m.in. Re2Zr2O7 o strukturze pyrochlorów modyfikowanych pierwiastkami ziem rzadkich(La, Gd, Nd, Sm, Eu) i mniejszym przewodnictwie cieplnym niż pierwiastkami ziem rzadkich(La, Gd, Nd, Sm, Eu) i mniejszym przewodnictwie cieplnym niż obecnie stosowane materiały na bazie tlenku cyrkonu.obecnie stosowane materiały na bazie tlenku cyrkonu.




Podzadanie 4. POLITECHNIKA ŚLĄSKAPodzadanie 4. POLITECHNIKA ŚLĄSKABadania właściwości fizycznych nowych materiałów ceramicznych oraz powłok TBC Badania właściwości fizycznych nowych materiałów ceramicznych oraz powłok TBC zawierających te materiały m.in. Re2Zr2O7 o strukturze pyrochlorów modyfikowanych zawierających te materiały m.in. Re2Zr2O7 o strukturze pyrochlorów modyfikowanych pierwiastkami ziem rzadkich (Re=La, Gd, Nd, Sm, Eu) i mniejszym przewodnictwie cieplnym niż pierwiastkami ziem rzadkich (Re=La, Gd, Nd, Sm, Eu) i mniejszym przewodnictwie cieplnym niż obecnie stosowane materiały na bazie tlenku cyrkonu.obecnie stosowane materiały na bazie tlenku cyrkonu.




Podzadanie 4. POLITECHNIKA ŚLĄSKAPodzadanie 4. POLITECHNIKA ŚLĄSKABadania właściwości fizycznych nowych materiałów ceramicznych oraz powłok TBC Badania właściwości fizycznych nowych materiałów ceramicznych oraz powłok TBC zawierających te materiały m.in. Re2Zr2O7 o strukturze pyrochlorów modyfikowanych zawierających te materiały m.in. Re2Zr2O7 o strukturze pyrochlorów modyfikowanych pierwiastkami ziem rzadkich (Re=La, Gd, Nd, Sm, Eu) i mniejszym przewodnictwie cieplnym niż pierwiastkami ziem rzadkich (Re=La, Gd, Nd, Sm, Eu) i mniejszym przewodnictwie cieplnym niż obecnie stosowane materiały na bazie tlenku cyrkonu.obecnie stosowane materiały na bazie tlenku cyrkonu.

Aparatura do badań przewodnictwa cieplnego NETZSCH LFA 427Aparatura do badań przewodnictwa cieplnego NETZSCH LFA 427





Skład chemiczny proszków na bazie tlenku cyrkonu i cyrkonianu gadolinuSkład chemiczny proszków na bazie tlenku cyrkonu i cyrkonianu gadolinu

Wt.% Zr Gd Y Al Si Cu Ti S CZrO2x8Y2O3 80,63 - 6,10 0,17 <0,10 <0,01 <0,067 0,004 0,018

Gd2Zr2O7 28,5 59,7 0,068 0,088 <0,10 <0,01 <0,005 0,002 0,006

Wyniki badań ciepła właściwego Wyniki badań ciepła właściwego proszków 8YSZ i Gdproszków 8YSZ i Gd22ZrZr22OO77

Wyniki badań dyfuzyjności cieplnej Wyniki badań dyfuzyjności cieplnej proszków 8YSZ i Gdproszków 8YSZ i Gd22ZrZr22OO77





Wyniki badań kalorymetrycznych proszku 8YSZWyniki badań kalorymetrycznych proszku 8YSZ

200 400 600 800 1000 1200 1400Temperature /°C

0

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

DSC /(mW/mg)

Zr

[1]

[2]

[3]

exo





Wyniki badań składu fazowego proszków w stanie wyjściowym i po Wyniki badań składu fazowego proszków w stanie wyjściowym i po badaniach DSCbadaniach DSC

25°C25°C 1400°C1400°C





Wyniki badań kalorymetrycznych proszku GdWyniki badań kalorymetrycznych proszku Gd22ZrZr22OO77

200 400 600 800 1000 1200 1400Temperature /°C

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

DSC /(mW/mg)

Cd

Value: 358.0 °C

Value: 616.0 °C

Area: -7.588 J/g

[1]

[2]

[3]

exo





Wyniki badań składu fazowego proszków w stanie wyjściowym i po Wyniki badań składu fazowego proszków w stanie wyjściowym i po badaniach DSCbadaniach DSC

25°C25°C 1400°C1400°C





Wyniki badań kalorymetrycznych mieszaniny proszków ZrOWyniki badań kalorymetrycznych mieszaniny proszków ZrO22xYxY22OO33 i i

GdGd22ZrZr22OO77

200 400 600 800 1000 1200 1400Temperature /°C

0

0.05

0.10

0.15

0.20

DSC /(mW/mg)

6+Z

[1]

[2]

[3]

exo





Wyniki badań składu fazowego mieszaniny proszków ZrOWyniki badań składu fazowego mieszaniny proszków ZrO22xYxY22OO33 i i

GdGd22ZrZr22OO77 po badaniach DSC po badaniach DSC




Cel: Cel:

Opracowanie podstaw technologii wytwarzania powłokowych barier cieplnych TBC na Opracowanie podstaw technologii wytwarzania powłokowych barier cieplnych TBC na

wybranych stopach oraz elementach turbin gazowych z wykorzystaniem nowych wybranych stopach oraz elementach turbin gazowych z wykorzystaniem nowych

powłokowych materiałów ceramicznych modyfikowanych pierwiastkami ziem rzadkich.powłokowych materiałów ceramicznych modyfikowanych pierwiastkami ziem rzadkich.


wyjaśnienie mechanizmu powstawania powłoki ceramicznej z wykorzystaniem systemu wyjaśnienie mechanizmu powstawania powłoki ceramicznej z wykorzystaniem systemu

TRIPLEXTRIPLEX

wyjaśnienie wpływu parametrów natryskiwania na zjawiska zachodzące na granicy wyjaśnienie wpływu parametrów natryskiwania na zjawiska zachodzące na granicy

międzywarstwa – powłoka ceramiczna,międzywarstwa – powłoka ceramiczna,

wyjaśnienie mechanizmu oddziaływania pierwiastków ziem rzadkich w powłoce wyjaśnienie mechanizmu oddziaływania pierwiastków ziem rzadkich w powłoce

ceramicznej na jej strukturę i wybrane właściwości fizyczne (przyczepność, pękanie, ceramicznej na jej strukturę i wybrane właściwości fizyczne (przyczepność, pękanie,

radioaktywność).radioaktywność).

Podzadanie 6. POLITECHNIKA ŚLĄSKAPodzadanie 6. POLITECHNIKA ŚLĄSKAOpracowanie parametrów technologicznych procesu powłok TBC metodą natryskiwania Opracowanie parametrów technologicznych procesu powłok TBC metodą natryskiwania cieplnego z zastosowaniem nowoczesnej aparatury TRIPLEX oraz materiałów ceramicznych.cieplnego z zastosowaniem nowoczesnej aparatury TRIPLEX oraz materiałów ceramicznych.




Podzadanie 6cd. POLITECHNIKA ŚLĄSKAPodzadanie 6cd. POLITECHNIKA ŚLĄSKAOpracowanie parametrów technologicznych procesu powłok TBC metodą natryskiwania Opracowanie parametrów technologicznych procesu powłok TBC metodą natryskiwania cieplnego z zastosowaniem nowoczesnej aparatury TRIPLEX oraz materiałów ceramicznych.cieplnego z zastosowaniem nowoczesnej aparatury TRIPLEX oraz materiałów ceramicznych.

Próby wytwarzania powłok TBC z zastosowaniem aparatury Próby wytwarzania powłok TBC z zastosowaniem aparatury TriplexPro – 200TriplexPro – 200





Aparatura do pomiaru rozkładu grubości powłok TBC oraz zmian Aparatura do pomiaru rozkładu grubości powłok TBC oraz zmian geometrycznych metodą nieniszczacą – skaner 3Dgeometrycznych metodą nieniszczacą – skaner 3D





Modele elementów do testowania aparatury do nieniszczących badań rozkładu Modele elementów do testowania aparatury do nieniszczących badań rozkładu grubości powłok - modele 3Dgrubości powłok - modele 3D





Łopatka bez powłokiŁopatka bez powłoki Łopatka z powłokąŁopatka z powłoką

Pomiar grubości powłok TBC wytworzonych otrzymanych metodą natryskiwania Pomiar grubości powłok TBC wytworzonych otrzymanych metodą natryskiwania cieplnego na łopatkach kierującychcieplnego na łopatkach kierujących





Pomiar grubości powłoki TBC wytworzonej metodą natryskiwania cieplnego na Pomiar grubości powłoki TBC wytworzonej metodą natryskiwania cieplnego na łopatce kierującejłopatce kierującej





Pomiar grubości powłoki TBC wytworzonej metodą natryskiwania cieplnego na Pomiar grubości powłoki TBC wytworzonej metodą natryskiwania cieplnego na łopatce turbinyłopatce turbiny




Podzadanie 11. POLITECHNIKA RZESZOWSKAPodzadanie 11. POLITECHNIKA RZESZOWSKAWytworzenie modyfikowanych powłok aluminidkowych na łopatkach silnika lotniczego metodą Wytworzenie modyfikowanych powłok aluminidkowych na łopatkach silnika lotniczego metodą CVD oraz ich przygotowanie do próby stanowiskowej silnika,CVD oraz ich przygotowanie do próby stanowiskowej silnika,

Przygotowano linię technologiczną dla wytwarzania modyfikowanych powłok Przygotowano linię technologiczną dla wytwarzania modyfikowanych powłok aluminidkowych zawierającą generator zewnętrzny dla wytwarzania MeClx.aluminidkowych zawierającą generator zewnętrzny dla wytwarzania MeClx.

Przeprowadzono próby wytwarzania warstw aluminidkowych modyfikowanych Hf jako Przeprowadzono próby wytwarzania warstw aluminidkowych modyfikowanych Hf jako międzywarstw dla powłokowych barier cieplnych. międzywarstw dla powłokowych barier cieplnych.

Parametry procesu w trakcie wytwarzania warstwy aluminidkowej modyfikowanej Hf Generator Hf




Podzadanie 11cd. POLITECHNIKA RZESZOWSKAPodzadanie 11cd. POLITECHNIKA RZESZOWSKAWytworzenie modyfikowanych powłok aluminidkowych na łopatkach silnika lotniczego metodą Wytworzenie modyfikowanych powłok aluminidkowych na łopatkach silnika lotniczego metodą CVD oraz ich przygotowanie do próby stanowiskowej silnika,CVD oraz ich przygotowanie do próby stanowiskowej silnika,

Numer pomiaru

Strefa dyfuzyjna

Strefa zewnętrzna

Całkowita glębokość

1 9,96 18,5 28,462 8 20,93 28,933 12,81 15,65 28,464 10,28 20,5 30,78

Wartość średnia

10,2625 18,895 29,1575

Odchylenie standartowe

1,974882 2,408547 1,104125

Mikrostruktura i głębokość warstwy aluminidkowej wytworzonej na podłożu z nadstopu Mikrostruktura i głębokość warstwy aluminidkowej wytworzonej na podłożu z nadstopu niklu, niklu, m. Proces CVD prowadzony w temperaturze 1020 ºC i w czasie 6h przy ciśnieniu 150 m. Proces CVD prowadzony w temperaturze 1020 ºC i w czasie 6h przy ciśnieniu 150 hPa po modyfikowaniu hafnemhPa po modyfikowaniu hafnem

Numer pomiaru

Strefa dyfuzyjna

Strefa zewnętrzna


1 9,79 17,59 27,382 9,2 20,5 29,703 15,1 15,68 30,784 17,78 17,8 35,58

Wartość średnia

12,9675 17,8925 30,86


4,163263 1,982782 3,451608

Inconel 100Inconel 713 LC

Numer pomiaru

Strefa dyfuzyjna

Strefa zewnętrzna


1 14 10,6 24,602 9,92 12,2 22,123 10 11,5 21,504 10,11 11,86 21,97

Wartość średnia

11,0075 11,54 22,5475


1,99652 0,688767 1,393589

CMSX 4Numer

pomiaruStrefa

dyfuzyjnaStrefa

zewnętrznaCałkowita glębokość

1 9,2 20,0 29,22 6,6 19,9 26,53 7,6 20,2 27,84 7,2 22,3 29,5

Wartość średnia

7,65 20,6 28,25


1,112055 1,140175 1,382027

Mar M 247





Mikrostruktura i głębokość warstwy aluminidkowej wytworzonej na podłożu z nadstopu Mikrostruktura i głębokość warstwy aluminidkowej wytworzonej na podłożu z nadstopu niklu, niklu, m. Proces CVD prowadzony w temperaturze 1020 ºC i w czasie 3h przy ciśnieniu 150 m. Proces CVD prowadzony w temperaturze 1020 ºC i w czasie 3h przy ciśnieniu 150 hPa po modyfikowaniu hafnemhPa po modyfikowaniu hafnem

Numer pomiaru

Strefa dyfuzyjna

Strefa zewnętrzna


1 7,74 10,2 17,942 10,58 8,6 19,183 8,64 7,6 16,244 9,98 8,2 18,18

Wartość średnia

9,235 8,65 17,885


1,284925 1,112055 1,221079

Numer pomiaru

Strefa dyfuzyjna

Strefa zewnętrzna


1 10,03 10,7 20,732 11,98 12,0 23,983 7,13 15,3 22,434 10 14,0 24,0

Wartość średnia

9,785 13 22,785


1,997774 2,047763 1,554917

Inconel 100Inconel 713 LC

Numer pomiaru

Strefa dyfuzyjna

Strefa zewnętrzna


1 9,42 9,5 19,652 16,83 8,99 18,413 10,15 4,52 21,354 10 10,5 20,5

Wartość średnia

11,6 8,377519,9775


3,500848 2,647041 1,254469

Mar M 247Numer

pomiaruStrefa

dyfuzyjnaStrefa

zewnętrznaCałkowita glębokość

1 4,05 12,5 16,552 3,78 13,7 17,483 3,73 13,6 17,334 4,38 12,9 17,28

Wartość średnia

3,985 13,17517,16


0,298496 0,57373 0,415452

CMSX 4





1

2

3

Warstwa aluminidkowa wytworzona w procesie CVD (modyfikowana hafnem) Warstwa aluminidkowa wytworzona w procesie CVD (modyfikowana hafnem) (1020 ºC/3h) na podłożu Inconel 100(1020 ºC/3h) na podłożu Inconel 100





Al Cr Hf

Ni Mo

Rozmieszczenie pierwiastków w warstwie aluminidkowejRozmieszczenie pierwiastków w warstwie aluminidkowej





Warstwa aluminidkowa wytworzona w procesie CVD (modyfikowana hafnem) Warstwa aluminidkowa wytworzona w procesie CVD (modyfikowana hafnem) (1020 ºC/6h) na podłożu Inconel 713 LC(1020 ºC/6h) na podłożu Inconel 713 LC





Rozmieszczenie pierwiastków w warstwie aluminidkowejRozmieszczenie pierwiastków w warstwie aluminidkowej

Al

Ni

Cr

Mo

Hf







Wnioski:Wnioski:

Opracowany proces aluminidkowania z wykorzystaniem modyfikacji hafnem warstwy Opracowany proces aluminidkowania z wykorzystaniem modyfikacji hafnem warstwy

aluminidkowej pozwolił na uzyskanie warstwy w której zawartość Hf wynosiła do 2,4 oraz aluminidkowej pozwolił na uzyskanie warstwy w której zawartość Hf wynosiła do 2,4 oraz

2,93 % mas. (strefa przypowierzchniowa warstwy aluminidkowej wytworzonej na podłożu 2,93 % mas. (strefa przypowierzchniowa warstwy aluminidkowej wytworzonej na podłożu

stopu Inconel 100 oraz Inconel 713 LC ). stopu Inconel 100 oraz Inconel 713 LC ).

Zawartości hafnu pozwalają przypuszczać o pozytywnym efekcie modyfikacji, co zostanie Zawartości hafnu pozwalają przypuszczać o pozytywnym efekcie modyfikacji, co zostanie

potwierdzone w przyszłych, planowanych badaniach mikrostruktury i właściwości warstw potwierdzone w przyszłych, planowanych badaniach mikrostruktury i właściwości warstw

aluminidkowych modyfikowanych hafnem. aluminidkowych modyfikowanych hafnem.

W stosowanym obecnie, opracowanym w ramach prowadzonych badań, procesie W stosowanym obecnie, opracowanym w ramach prowadzonych badań, procesie

technologicznym stosowano jako główny parametr wartość przepływu argonu i chloru w technologicznym stosowano jako główny parametr wartość przepływu argonu i chloru w

zewnętrznym reaktorze Hf o wielkości odpowiednio 2,5 l/min i 0,5 l/min. zewnętrznym reaktorze Hf o wielkości odpowiednio 2,5 l/min i 0,5 l/min.

„Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym”


Podzadanie 9. POLITECHNIKA WARSZAWSKAPodzadanie 9. POLITECHNIKA WARSZAWSKAOpracowanie podstaw technologii wytwarzania dyfuzyjnych warstw powierzchniowych zwiększających odporność stopów tytanu na korozję wysokotemperaturową w temperaturze ok. 750°C,

Cel:Cel:

wytworzenie dyfuzyjnych warstw międzymetalicznych z układu Ti-Al na podłożu wytworzenie dyfuzyjnych warstw międzymetalicznych z układu Ti-Al na podłożu

dwufazowego stopu tytanu Ti6Al4V;dwufazowego stopu tytanu Ti6Al4V;

określenie składu fazowego warstw (Bruker D8, XPS);określenie składu fazowego warstw (Bruker D8, XPS);

określenie składu chemicznego EDS (HITACHI 3500, SU 70);określenie składu chemicznego EDS (HITACHI 3500, SU 70);

badanie żaroodporności badanie żaroodporności

badania odporności korozyjnej (AutoLab PGSTAT 100);badania odporności korozyjnej (AutoLab PGSTAT 100);




Podzadanie 9cd. POLITECHNIKA WARSZAWSKAPodzadanie 9cd. POLITECHNIKA WARSZAWSKAOpracowanie podstaw technologii wytwarzania dyfuzyjnych warstw powierzchniowych zwiększających odporność stopów tytanu na korozję wysokotemperaturową w temperaturze ok. 750°C,




Morfologia - (A) oraz widmo XRD - (B) powierzchni warstwy wytworzonej w procesie CVD w temperaturze 700C na podłożu stopu Ti6Al4V

A)A) B)B)





A)A) B)B)

Morfologia powierzchni tytanu Ti6Al4V - (A) oraz widmo XRD - (B) po 24h utleniania w Morfologia powierzchni tytanu Ti6Al4V - (A) oraz widmo XRD - (B) po 24h utleniania w atmosferze powietrza w temperaturze 700atmosferze powietrza w temperaturze 700C C





A)A) B)B)

Morfologia – (A) oraz widmo XRD – (B) warstwy wytworzonej w procesie CVD i 24h Morfologia – (A) oraz widmo XRD – (B) warstwy wytworzonej w procesie CVD i 24h utleniania w atmosferze powietrza w temperaturze 700utleniania w atmosferze powietrza w temperaturze 700C na podłożu Ti6Al4V C na podłożu Ti6Al4V





A)A) B)B)

Morfologia –(A) oraz widmo XRD –(B) warstwy wytworzonej w procesie CVD i dziesięciu Morfologia –(A) oraz widmo XRD –(B) warstwy wytworzonej w procesie CVD i dziesięciu cyklach 24h utleniania w atmosferze powietrza w temperaturze 700cyklach 24h utleniania w atmosferze powietrza w temperaturze 700C na podłożu Ti6Al4V C na podłożu Ti6Al4V





Krzywe potencjodynamiczne warstw międzymetalicznych eksponowane w środowisku Krzywe potencjodynamiczne warstw międzymetalicznych eksponowane w środowisku 0,1M H0,1M H22SOSO44 i 0,1M Na i 0,1M Na22SOSO44 w porównaniu do materiału wyjściowego w porównaniu do materiału wyjściowego





Środowisko Materiał Ikor (µA/cm2) Ekor (mV)

0.1M H2SO4

Ti6Al4V 0.18 -85

TiAl 8.1 -30

0.1M Na2SO4

Ti6Al4V 0.025 -260

TiAl 0.22 -50

Charakterystyczne wartości elektrochemiczne badanych materiałów (badania Charakterystyczne wartości elektrochemiczne badanych materiałów (badania potencjodynamiczne)potencjodynamiczne)




Wnioski:Wnioski:

W wyniku wysoko-aktywnego procesu aluminiowania w temperaturze 700 W wyniku wysoko-aktywnego procesu aluminiowania w temperaturze 700 C stopu tytanu C stopu tytanu

Ti6Al4V można uzyskać warstwę międzymetaliczną typu: TiAl2+TiAl+Ti3Al. Ti6Al4V można uzyskać warstwę międzymetaliczną typu: TiAl2+TiAl+Ti3Al.

Dyfuzyjny charakter warstwy zapewnia dobrą odporność na korozję wysokotemperaturową Dyfuzyjny charakter warstwy zapewnia dobrą odporność na korozję wysokotemperaturową

i odporność na szoki termiczne powstałe podczas nagrzewania i chłodzenia. i odporność na szoki termiczne powstałe podczas nagrzewania i chłodzenia.

Warstwy międzymetaliczne z układu TiAl, z uwagi na obecność związków aluminium nie Warstwy międzymetaliczne z układu TiAl, z uwagi na obecność związków aluminium nie

powinny być stosowane w środowiskach mocno kwaśnych (poniżej pH=4). powinny być stosowane w środowiskach mocno kwaśnych (poniżej pH=4).






Podzadanie. UNIWERSYTET RZESZOWSKIPodzadanie. UNIWERSYTET RZESZOWSKIBadanie rozkładu parametrów powłok i warstw ochronnych dla gorących części silnikaBadanie rozkładu parametrów powłok i warstw ochronnych dla gorących części silnika

Cel: Cel:

Optymalizacja doboru obciążenia z uwagi na pozorny wzrost nano i mikrotwardości warstw Optymalizacja doboru obciążenia z uwagi na pozorny wzrost nano i mikrotwardości warstw

aluminidkowychaluminidkowych

Określenie charakteru pękania warstwy aluminidkowej.Określenie charakteru pękania warstwy aluminidkowej.


Określenie wpływu parametrów procesu CVD (składu chemicznego, temperatury, czasu) Określenie wpływu parametrów procesu CVD (składu chemicznego, temperatury, czasu)

na własności użytkowe (nanotwardość, mikrotwardość, odporność na odkształcenie, na własności użytkowe (nanotwardość, mikrotwardość, odporność na odkształcenie,

pękanie i adhezję) warstw aluminidkowych, pękanie i adhezję) warstw aluminidkowych,

Możliwości oceny właściwości adhezyjnych ze względu na charakter pękania Możliwości oceny właściwości adhezyjnych ze względu na charakter pękania

poszczególnych stref warstwy aluminidkowej.poszczególnych stref warstwy aluminidkowej.





W ramach podzadania projektu przeprowadzono analizę literatury dotyczącej: W ramach podzadania projektu przeprowadzono analizę literatury dotyczącej:

wpływu parametrów wytwarzania warstw aluminidkowych metodą CVD na właściwości wpływu parametrów wytwarzania warstw aluminidkowych metodą CVD na właściwości

fizyczne, chemiczne, mechaniczne łopatek turbin silników; fizyczne, chemiczne, mechaniczne łopatek turbin silników;

przemian fazowych zachodzących podczas wytwarzania i eksploatacji warstwy; przemian fazowych zachodzących podczas wytwarzania i eksploatacji warstwy;

metodyki badań odporności warstw wierzchnich na odkształcenie, pękanie i adhezję.metodyki badań odporności warstw wierzchnich na odkształcenie, pękanie i adhezję.

Wykonano badania:Wykonano badania:

pomiary mikrotwardości metodą Vickers’a, pomiary mikrotwardości metodą Vickers’a,

badania fraktograficzne SEM mikrostruktury przełomów poprzecznych warstw badania fraktograficzne SEM mikrostruktury przełomów poprzecznych warstw

aluminidkowych wytworzonych w niskoaktywnym procesie CVD w temp. 1050 oC, w aluminidkowych wytworzonych w niskoaktywnym procesie CVD w temp. 1050 oC, w

czasie 8 h przy ciśnieniu 150 hPa na nadstopie Inconel 625.czasie 8 h przy ciśnieniu 150 hPa na nadstopie Inconel 625.





Przekrój poprzeczny warstwy Przekrój poprzeczny warstwy aluminidkowej. Widoczne odciski aluminidkowej. Widoczne odciski Vickers’a wykonane dla obciążenia Vickers’a wykonane dla obciążenia 20 g20 g

0

500

1000

1500

2000

2500

1E-5 1E-4 1E-3 0,01 0,1 1 100

500

1000

1500

2000

2500

M

icro

hard

ness

HV

, kg/

mm

2

Mic

roha

rdne

ss H

K, k

g/m

m2

Indentation Test Load, kg

Wpływ obciążenia na wartość mikrotwardości Wpływ obciążenia na wartość mikrotwardości dla rdzenia i stref warstwy aluminidkowej dla rdzenia i stref warstwy aluminidkowej wytworzonej na nadstopie Rene N5 [B.Ning, wytworzonej na nadstopie Rene N5 [B.Ning, M.E. Stevenson, M.L. Weaver, R.C. Bradt, Surf. M.E. Stevenson, M.L. Weaver, R.C. Bradt, Surf. and Coat. Tech.163-136,2003] (Knoopa, kolor and Coat. Tech.163-136,2003] (Knoopa, kolor czarny) i Inconel 625 (Vickersa, kolor niebieski)czarny) i Inconel 625 (Vickersa, kolor niebieski)





Schemat łamania próbek oraz widok SEM powierzchni (Schemat łamania próbek oraz widok SEM powierzchni (ββ-NiAl)-NiAl)

F

F





Rys. 4. Mikrostruktura SEM przełomówRys. 4. Mikrostruktura SEM przełomów

INNOWACYJNA GOSPODARKANARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI

UNIA EUROPEJSKAEUROPEJSKI FUNDUSZ

ROZWOJU REGIONALNEGO Badanie rozkładu temperatury Badanie rozkładu temperatury gorących części silnikagorących części silnika Rozgrzana łopatka silnika

Rys. 2. Łopatka stacjonarnie –histogram

Rys.1. Łopatka stacjonarnie –obraz z kamery termowizyjnej

Rys. 3. Łopatka stacjonarnie –profil temperaturowy

Metoda termograficzna może być użyta jako precyzyjne narzędzie do bezinwazyjnych badań rozkładów pól temperaturowych łopatek silników odrzutowych.




Wnioski:Wnioski:

Mechanizm pękania jest zróżnicowany dla poszczególnych stref warstwy aluminidkowej. Mechanizm pękania jest zróżnicowany dla poszczególnych stref warstwy aluminidkowej.

Strefę zewnętrzną warstwy aluminidkowej (β-NiAl) charakteryzuje przełom Strefę zewnętrzną warstwy aluminidkowej (β-NiAl) charakteryzuje przełom

międzykrystaliczny z niewielkim udziałem przełomu tranaskrystalicznego w obrębie ziarna. międzykrystaliczny z niewielkim udziałem przełomu tranaskrystalicznego w obrębie ziarna.

Określając mikrotwardość warstw aluminidkowych należy uwzględnić optymalny dobór siły Określając mikrotwardość warstw aluminidkowych należy uwzględnić optymalny dobór siły

nacisku wgłębnika. nacisku wgłębnika.






KONFERENCJE1. ECMM – 2010, Paryż, 16 – 21 May 2010, Francja T. Sadowski: „Multiscale Modelling of Gradual Degradation in Al2O3/ZrO2 Ceramic Composites Under Compression”2. DSL2010, Paryż, 5 - 7 lipca 2010, Francja T.Sadowski, P.Golewski: „The analysis of processes of degradation thermal barrier coatings in conditions of exploitation”

3. ACE-X 2010, Paryż, 5 - 7 lipca 2010, Francja M.Boniecki, Z.Librant, T.Sadowski, W.Wesołowski: „The thermal shock resistance and mechanical properties at elevated temperatures of transparent ceramics”4. IWCMM’20 (International Workshop on Computational Mechanics of Materials) Loughborough, 8 - 10 września 2010, W. Brytania T.Sadowski, P.Golewski: “The influence of quantity and the distribution of cooling channels of turbine blades on level of stresses in the protective layer TBC and the efficiency of cooling

5. DURACOSYS, Patras, 12 - 15 września 2010, Grecja T.Sadowski, M.Boniecki, Z.Librant, S.Ataya: „Heat transfer and cracks propagation in monolithic oxide and FGM ceramics under non-symmetric thermal shock

Publikacje zgłoszone i przygotowywanePublikacje zgłoszone i przygotowywane

1. G. Moskal, A. Rozmysłowska: “Cracks characterization of YSZ and RE zirconates thermal barrier coatings obtained by APS method”, Book of Abstracts, E-MRS, E-MRS 2009 Fall Meeting, Warsaw, Poland, 14-18 September 2009, Book of Abstract, 1482. G. Moskal: “Characterization of NiCoCrAlY powders and coatings obtained by plasma spraying for TBC applications”, E-MRS 2009 Fall Meeting, Warsaw, Poland, 14-18 september 2009, Book of Abstract, 1463. G. Moskal: “Wpływ metody wytwarzania na mikrostrukturę i właściwości proszków typu ZrO2xY2O3”, XXXVII Szkoła Inżynierii Materiałowej, Kraków-Krynica, 29.IX-2.10.2009, 347- 352.4. G. Moskal: „Microstructural characteristics and technological properties of YSZ-type powders designed for thermal spraying of TBC”, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 7 (2010) 012019, 11th European Workshop on Modern Developments and Applications in Microbeam Analysis IOP Publishing. 5. G. Moskal, A. Rozmysłowska, A. Gazda, M. Homa: „Wybrane termofizyczne właściwości proszków cyrkonianowych na bazie pierwiastków ziem rzadkich typu RE2Zr2O7 (RE- Gd, La, Sm, Nd) przeznaczonych do natryskiwania cieplnego powłokowych warstw barierowych”, Prace Instytutu Odlewnictwa, 2009, t. XLIX, nr 4, s. 15-26.

WSKAŹNIKIWSKAŹNIKI





6. G. Moskal: „Characteristics of selected thermal properties of 8YSZ type powders produced with different methods”, Europhysical Conference on Defects in Insulating Materials (EURODIM 2010). 7. 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).8. 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.9. 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. T. Sadowski, P. Golewski: "Multidisciplinary analysis of the operational temperature increase of turbine blades in combustion engines by application of the ceramic thermal barrier coatings (TBC)", Comput. Mat. Sci. (2010) – zaakceptowany8. T. Sadowski, L. Marsavina: "Multiscale Modelling of Two-phase Ceramic Matrix Composites" Comput. Mat. Sci. (2010) doi:10.1016/j.commatsci.2010.04.0119. K. Nakonieczny, T. Sadowski: Erratum: “Modelling of thermal shocks in composite materials using a meshfree FEM”, Comput. Mat. Sci. 44 (2009) 1307-1311”, Comput. Mat. Sci. 47 (2010) 86710. T.Sadowski, L.Marsavina: “Multiscale modelling of gradual degradation in Al2O3/ZrO2 ceramic composites under tension”, Mat. Sci. Forum, 638-642 (2010) 2743-274811. M. Yavorska, J. Sieniawski, R. Filip, K. Krupa: „Wpływ mikrostruktury na właściwości mechaniczne warstwy aluminidkowej wytworzonej w procesie CVD na nadstopach niklu” – art. Przyjęty do czasopisma Inżynieria Materiałowa





DoktoratyDoktoraty1.M. Zawadzki: „Kształtowanie struktury oraz właściwości powłok żaroodpornych na elementach ze stopu niobu łączonego metodą spawania” - przygotowany do otwarcia, Politechnika Śląska,2.P. Golewski: „Modelowanie fizyczne powłokowej bariery cieplnej z uwzględnieniem właściwości materiału i warunków pracy oraz procesów degradacji”, Politechnika Lubelska

Prace magisterskiePrace magisterskie1.A. Rozmysłowska: „Charakterystyka własności cieplnych warstw TBC” – w toku.2.W. Kroker:” Analiza mechanizmów degradacji warstw TBC” – w toku3.M. Szewczyk: „Badania struktury powłok na wybranym stopie trudnotopliwym” - w toku4.T. Bieleń: ”Właściwości mechaniczne warstw aluminidkowych wytworzonych w procesie CVD na nadstopie Inconel 625”, Wydział Matematyczno Przyrodniczy UR Rzeszów, promotor dr Wojciech Bochnowski, planowana obrona – 2011 r.

Prace inżynierskiePrace inżynierskie1.A. Rozmysłowska: „Charakterystyka przewodnictwa cieplnego proszków ceramicznych typy YSZ i RE2Zr2O7 przeznaczonych do natryskiwania powłokowych barier cieplnych”.





Documents

Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym