Электронно-лучевое нанесение покрытий методом осаждения из паровой фазы (EB/PVD), защитные (MСrAlY) и теплозащитные (ТВС) покрытия

Требования к производительности газовых турбин, используемых в авиации и энергетике, постоянно растут. Причиной этого является стремление к экономии топлива и, тем самым, снижению производственных расходов. Основным способом повышения производительности турбин является увеличение температуры на турбине. Используемые материалы, по требованию пользователя, должны выдерживать большие температуры, а также механические нагрузки, коррозию, эрозию и другие тяжелые рабочие условия, и в то же время служить более долгое время. В этой области технология EB/PVD имеет сегодня широкое применение.

Повышение производительности турбин
Компоненты турбин улучшались на протяжении десятилетий, особенно это касается устойчивости к высоким температурам. Вначале изменения в основном сосредотачивались на материале лопатки и его термической устойчивости. Значительные шаги были сделаны в 60-ых годах благодаря усовершенствованию методов плавки и очистки, разработке никелевых сплавов, оптимизации формы деталей, их размеров, кристаллизационной структуры и, наконец, использованию специальных методов охлаждения деталей. Этот процесс продолжается и сейчас, но разработки в области температуры и производительности достигли границ, установленных законами физики. С 70-х годов для защиты поверхности деталей из никелевых сплавов от коррозии горячего газа в вакууме наносились покрытия на металлической основе (т.н. MСrAlY). Успех этих покрытий послужил началом для разработки неметаллических покрытий со способностью термической изоляции. Сегодня эти покрытия являются составной частью конструкции всех современных турбин.

			увеличить				увеличить
1. Монокристаллические лопатки с теплозащитными покрытиями, 3. Установка EB/PVD для серийного производства

Электронно-лучевое нанесение покрытий методом осаждения из паровой фазы (EB/PVD) имеет преимущество не только для металлических покрытий для защиты от коррозии, но и для теплозащитных покрытий (ТВС). Теплозащитные покрытия для компонентов авиационных двигателей наносятся почти исключительно по технологии EB/PVD.

Использование покрытий EB/PVD
Среди различных методов нанесения покрытий в вакууме, электронно-лучевое нанесение покрытий методом осаждения из паровой фазы характеризуется использованием сфокусированного мощного электронного луча, который плавит и испаряет как металлы, так и керамику. Высокая скорость осаждения позволяет достичь высокую экономическую эффективность. Покрытия EB/PVD используются для нанесения оптических покрытий на линзы и фильтры, в производстве полупроводников, для нанесения покрытий на упаковочные сетки и во многих других случаях. Установка для нанесения покрытий на компоненты турбин впервые была представлена на Leybold-Heraeus в конце 60-х.

Современная газовая турбина

Нанесение покрытий на рабочие и направляющие лопатки
Современные рабочие и направляющие лопатки турбин, произведенные по самым современным технологиям, состоят из:

• Монокристальных деталей точного литья из жаропрочных сплавов с каналами для охлаждающего воздуха
• Связующих покрытий
• Диффузионных барьерных покрытий
• Теплозащитных покрытий

Связующие покрытия наносятся для защиты поверхности деталей из жаропрочных сплавов от коррозии, вызываемой горячим воздухом, и для компенсации различий коэффициентов термического расширения жаропрочных сплавов и керамических теплозащитных покрытий. Связующее покрытие поглощает механические нагрузки между деталью и защитным керамическим покрытием. Связующие покрытия наносятся на различных этапах производства. Связующие покрытия из MCrAlY изначально были разработаны для технологии EB/PVD. Сегодня для таких покрытий используется и другая вакуумная технология – распыление в плазме при низком давлении (LPPS). Преимуществом технологии LPPS является относительная простота метода при низкой стоимости, особенно это касается больших деталей, таких как рабочие и направляющие лопатки энергетических турбин. Однако, технология EB/PVD все еще является лучшим выбором при нанесении покрытий из MСrAlY на рабочие и направляющие лопатки авиационных турбин. Еще одна технология связующих покрытий с использованием алюминида платины была разработана, чтобы избежать нарушения патентных прав при применении покрытий из McrAlY. По этой технологии покрытие из алюминия наносится в простой вакуумной установке, платина наносится отдельно электролитически, затем требуется окончательная термообработка для создания покрытия из PtAl с требуемыми свойствами. Оба типа покрытий сегодня имеют сравнимое качество. Использование покрытий из MCrAlY  либо PtAl зависит от технических требований, диктуемым производителем.

Диффузионные барьерные покрытия наносятся между связующими покрытиями и теплозащитными покрытиями (ТВС) для улучшения взаимодействия между двумя слоями. Диффузионное барьерное покрытие состоит из тонкого слоя керамики Al₂O₃ сверху связующего покрытия. Это идеальное условие для нанесения ТВС. Оно создается перед нанесением ТВС внутри установки EB/PVD путем окисления поверхностного алюминия связующего покрытия из MCrAlY  или PtAl.

Теплозащитные покрытия (ТВС) наносятся в качестве завершающего слоя, который защищает детали турбин от высоких температур. Это покрытие толщиной в бумажный лист позволяют деталям из никелевых жаропрочных сплавов работать при температурах на 100-150 °C выше температуры плавления. Идеальным материалом для нанесения покрытий является оксид циркония, стабилизированный иттрием. Дендритная структура ТВС, произведенных в установках EB/PVD, с узкой нижней частью и свободной верхней, позволяет покрытию выдерживать высокие механические нагрузки, вызываемые тяжелыми, быстро меняющимися температурными циклами авиационных и стационарных газовых турбин. Метод EB/PVD для получения ТВС использвался в авиационной промышленности со своего изобретения по сегодняшний день. Недавно была разработана альтернативная технология для нанесения ТВС,  распыление плазмой на воздухе (APS). Технология распыления плазмой на воздухе (APS) по сравнению с EB/PVD имеет как преимущества, так и недостатки. К преимуществам относятся: процесс протекает в атмосфере, не требуется вакуум, относительно невысокая стоимость оборудования, возможность быстрого нанесения покрытия на большие детали и их хорошие теплозащитные свойства. Недостатками являются: структура покрытия, негативно влияющая на адгизионные и циклические свойства, закупорка охлаждающих отверстий порошком, грубая структура поверхности нуждающаяся в полировке после нанесения и, наконец, данная технология является поэтапной. Многие производители выбрали технологию APS для нанесения теплозащитных покрытий для больших деталей силовых турбин из-за простоты процесса и относительно низких производственных расходов. Детали авиационных турбин тех же производителей напыляются по технологии EB/PVD из-за превосходного качества и воспроизводимости результатов. 

Производственные установки EB/PVD

Установки для нанесения покрытий
Системы EB/PVD для серийного производства оборудованы одной центральной камерой для нанесения покрытий с двумя электронно-лучевыми пушками и резервуаром с циркониевой керамикой для процесса. Камеры предварительного нагрева присоединены по обе стороны от рабочей камеры. К каждой камере предварительного нагрева можно подключить до двух попеременно работающих загрузочных камер. Каждая загрузочная камера оборудована кронштейном  и системой приводов для деталей, на которые будут наноситься покрытия. Эта система транспортирует детали из положения загрузки в камеру предварительного нагрева, и, в конце концов, в рабочую камеру. В рабочей камере детали могут вращаться, наклоняться, либо то и другое одновременно в соответствии с геометрией детали и требуемому распределению толщины покрытий. Модульная конструкция установок для нанесения покрытий EB/PVD позволяет устанавливать до четырех загрузочных камер для высокой производительности, две камеры для среднего производства или даже одну камеру для опытного производства или небольшого производства на ремонтных фирмах.

Процесс ТВС
Диффузионный барьер, описанный раньше, создается во время фазы предварительного нагрева перед нанесением теплозащитных покрытий. Главным фактором, определяющим качество покрытий, является процесс, проходящий в рабочей камере. Требуется создать однородное облако испарений. С этой целью, материал для покрытий должен подаваться в правильном количестве, должен добавляться соответствующий газ реакции, выбираться правильные модели отклонения электронного луча по плавящемуся материалу и, наконец, не в последнюю очередь, детали внутри облака испарений должны перемещаться по заранее заданной программе.

Контроль процесса
Простая в использовании система управления установками EB/PVD производства ALD обеспечивает оптимальный и полностью воспроизводимый контроль над манипулятором и движениями деталей. Управление нагревом, нанесением покрытий, загрузкой нового материала, вакуумной системой, клапанами, предохранительными блокировками и другими компонентами находится на самом современном техническом уровне. Программа ESCOSYS контролирует движение луча по поверхности плавящегося керамического слитка. Только в редких случаях, когда процесс нанесения покрытий отклоняется от оптимального протекания, требуется вмешательство оператора. В этом случае требуется только один щелчок мыши для внесения изменений и возвращения процесса к идеалу. Процесс стабилизируется посредством запрограммированных алгоритмов в программе ESCOSYS. Этот тип системы управления, требующий незначительного вмешательства оператора, показал себя наиболее воспроизводимым и успешным в управлении технологией EB/PVD и достижения высокой производительности. Посредством главного контроллера можно получить доступ к любым записанным параметрам процесса, влияющим на нанесение покрытий на каждый отдельный объект. От момента, когда детали до нанесения покрытий поступают на взвешивание, до повторного взвешивания после выгрузки из установки, все камеры соединены по компьютерной сети. Протекание процесса на каждой стадии для обеспечения качества полностью документируется. Вся система может быть подключена на предприятии к компьютерной системе высшего уровня.

Прогноз
Возможность для внесения дальнейших улучшений появляется, если принимать во внимание общую конструкцию деталей и технологическую цепочку производства. Процессы, которые сегодня разделены, могут быть объединены в будущем. Это может уменьшить сложность, поднять качество, а также уменьшить стоимость конечной продукции. Такие примеры использования технологии EВ/PVD, как нанесение теплозащитных покрытий на лопатки турбин, демонстрирует большой потенциал, который она может внести в дальнейшее повышение производительности турбин. Сегодня исследования направлены на применение новых типов керамики с лучшими теплозащитными свойствами, чем у материалов, используемых на данный момент. Для улучшения адгезионных и теплозащитных свойств в настоящий момент обсуждаются варианты многослойных покрытий и сочетания различных типов керамики.