Экспериментальное исследование возможности управления концентрацией парового потока при нанесении теплозащитного покрытия электронно-лучевым методом

Введение

Применяемые теплозащитные покрытия (ТЗП) на лопатках турбины структурно состоят из металлического подслоя, формируемого из специальных жаростойких сплавов системы МеCrAlY, и наружного керамического слоя, наиболее часто из двуокиси циркония, стабилизированной оксидом иттрия (ZrO₂‧Y₂O₃). Самым прогрессивным способом нанесения наружного керамического слоя является метод электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме, обеспечивающий формируемой керамике специфичный столбчатый колоннообразный вид (рис. 1). Как показывает опыт авторов работы [1][2], а также авторов других работ [3–6], микроструктура, толщина и направление роста столбов значительно зависят от технологических параметров процесса осаждения керамики.

В процессе электронно-лучевого испарения материала в высоком вакууме 10⁻⁴…10⁻⁶ мм рт. ст. пространственная плотность потока пара над испарителем подчиняется косинусоидальному закону распределения, согласно которому максимальная плотность наблюдается в направлении нормали к поверхности испарения (угол = 0). Нагрев испаряемого материала осуществляется автоматическим сканированием электронного луча по поверхности штабика. Со временем из-за несовершенства сканирования или возникновения некоторых различий в локальных условиях поглощения/отражения на поверхности образуются выступающие участки, причем скорость испарения на них имеет тенденцию к уменьшению вплоть до полной остановки, а высота, естественно, увеличивается [7][8]. Это негативное явление приводит к неравномерности испарения керамического штабика (рис. 2) и влияет на форму парового облака [8][9].

Поэтому под действием электронного пучка над расплавом материала может образоваться зона с очень высоким давлением пара, в результате чего поверхность расплава становится вогнутой (рис. 3), из-за этого плотность потока пара при увеличении угла φ падает более резко (паровое облако фокусируется). К этому результату приводит и заглубление поверхности испарения. Если холодные стенки тигля препятствуют распространению потока пара (рис. 3, в), то их влияние на характеристику испарителя называют эффектом дымовой трубы. Оба эти фактора изменяют характеристику испарителя так, что она становится подобной пространственному распределению плотности парового потока, истекающего из сопла.

Стабильное поддержание наиболее ровной формы ванны расплава (без выступов и впадин) и постоянства ее уровня относительно тигля – одни из главных технологических условий обеспечения повторяемости процесса осаждения покрытия на детали от садки к садке. Для этого оператору необходимо концентрировать развертку луча на образовавшихся выступающих частях штабика и оплавлять их вровень с поверхностью ванны, а уровень ванны устанавливать, меняя скорость подачи штабика в тигле. При высоких скоростях испарения над поверхностью тигля может образоваться зона (1, на рис. 3, г) [7] с высокой плотностью пара, частицы пара вне этой зоны распространяются прямолинейно от ее поверхности (паровое облако существенно рассеивается).

Для повышения стабильности испарения в современных установках для электронно-лучевого нанесения покрытий используются наиболее совершенные автоматизированные системы управления, например ECOSYS (Electron Beam Control System), для точного позиционирования и управления электронным лучом в оборудовании, производимом компанией ALD Vacuum Technologies GmbH [10][11]. Эти системы позволяют получить практически ровную поверхность испаряемого штабика керамики, однако полностью исключить образование выступов не получается, участие оператора в процессе не удается автоматизировать.

Как видно из схемы процесса электронно-лучевого испарения материала (рис. 1, а), для получения требуемой толщины покрытия в каждой точке лопатки требуется создать условие попадания на нее частиц испаряемой керамики, движущихся от тигля. Для этого в камере создается глубокий вакуум с целью исключения столкновения молекул керамики и их рассеивания [10][11], при этом действует условие «прямой видимости», то есть покрытию подвергаются только поверхности, находящиеся в прямой видимости от тигля. Однако косинусоидальное распределение парового потока (рис. 3) приводит к значительному осаждению испаряемого материала также и на стенках камеры электронно-лучевой установки (рис. 4), что значительно увеличивает его расход. Кроме того, для получения одинаковой толщины покрытия в каждой точке по профилю пера лопатки при ее вращении в установке необходимо выбрать зону напыления (рабочую зону) с относительно одинаковой плотностью парового потока [12][13].

Видно, что для снижения расхода испаряемого материала необходимо осуществлять управление паровым потоком в заданном направлении. Совершенствование керамического слоя ТЗП путем его уплотнения с целью уменьшения газопроницаемости и пор, что снизит попадание продуктов сгорания топлива в межстолбовое пространство, является одним из направлений совершенствования ТЗП.

Материалы исследования и их обсуждение

При электронно-лучевом методе нанесения покрытий на детали материал, например ZrO₂‧Y₂O₃, испаряется в вакуумной камере из тигля в результате нагрева электронным пучком и затем конденсируется на поверхности детали (рис. 1, а). Испарение окислов, как правило, сопровождается изменением вида исходных молекул. Для большинства тугоплавких соединений, используемых при нанесении защитных покрытий, характерна диссоциация исходных молекул с образованием газообразных продуктов. Однако в работах [12][14][15] керамика ZrO₂‧Y₂O₃ приводится в качестве примера материала, испаряемого из медных водоохлаждаемых тиглей сфокусированным на нем электронным пучком практически без изменения исходного состава. Процесс диссоциации рассматривается в работах [4][16], где приводится (табл. 1) степень диссоциации ZrO₂ и указывается, что кислород, присутствующий в продуктах диссоциации, частично удаляется из зоны испарения и уносится в вакуумную систему. Для компенсации его потери применяется способ, при котором некоторый объем кислорода поставляется в зону тигля, что приводит к формированию белого слоя ZrO₂‧Y₂O₃ стехиометрического состава.

Степень диссоциации зависит от многих показателей процесса, в их числе температура ванны испаряемой керамики, скорость испарения, величина вакуума. Доказательством процесса диссоциации керамики является черный цвет (рис. 2) поверхности штабика керамики после его охлаждения [4][16].

С целью исследования процесса формирования толщин и микроструктур покрытий, формируемых в косинусоидальном паровом потоке, авторами был проведен следующий эксперимент. Для исключения влияния формы (кривизны) лопатки были изготовлены плоские образцы (пластины) и приварены к замкам технологической лопатки (рис. 5). Пластины были разбиты на участки для исследования сформированных покрытий.

Структура покрытий исследовалась методами рентгеновской дифрактометрии и растровой электронной микроскопии. Толщина покрытий оценивалась с помощью растровой электронной микроскопии и оптической металлографии (при увеличении до 1000×). Измерение толщин покрытий каждого из образцов проводилось не менее 3 раз.

Формирование покрытий начинается с образования на подложке (поверхности детали) тонкой пленки конденсируемого материала. Сталкивающийся с поверхностью атом (молекула) попадает в поле сил притяжения поверхностных атомов (молекул). Возможны следующие ситуации после этого: 1) атом адсорбируется и окончательно «прилипает» к поверхности; 2) через некоторое время после адсорбции атом снова покидает поверхность; 3) налетающий атом мгновенно отражается от поверхности [17][18]. Обычно реализуются первые две возможности. Вероятность захвата падающего атома характеризуется коэффициентом конденсации α_к, равным отношению количества сконденсировавшихся на поверхности атомов к общему количеству падающих атомов. Величина α_к уменьшается с ростом температуры подложки и увеличением размерного несоответствия (разности параметров кристаллической решетки) конденсируемого вещества и подложки [12]. Следует подчеркнуть, что при электронно-лучевом испарении паровой поток практически полностью состоит из нейтральных атомов, степень ионизации не превышает 0,05…0,1 % [12].

Распределение материала при осаждении из точечного источника определяется формулой

d_m/d_s ~ (m/h²) ‧ cos

где d_m – масса материала, осажденного на элементе поверхности d_S, m – общее количество испарившегося материала, h – расстояние от испарителя до поверхности конденсации, φ – угол между направлением парового потока и нормалью к элементу поверхности. Обычно принимаются: величина h = 250 ÷ 300 мм, длина (диаметр) конденсационной поверхности l = 150 ÷ 180 мм [12], фактически это предельные величины.

Как следует из формулы распределения материала, при его испарении в вакууме с использованием электронных пучков зона равномерного осаждения занимает на полусфере с большим радиусом малую площадь, то есть КПД процесса (производительность установки) мала и ее вообще, видимо, нельзя существенно увеличить.

В процессе проведения эксперимента в установке УЭ-175 было определено, что для нанесения на лопатки керамического слоя толщиной ~ 100 мкм в процессе технологического цикла испаряется порядка 450…500 г керамики. В то же время на одну лопатку происходит осаждение порядка 1,5 г, а на 14 лопаток – 21 г керамики. Таким образом, коэффициент использования испаряемого материала составляет всего 4 %. Большая часть испарившегося материала пролетает мимо деталей и оседает на стенках вакуумной камеры во всех направлениях. Для их защиты устанавливаются экраны. Таким образом, видится целесообразным оценить возможность применения специальных экранов для на­правления (концентрации) парового облака в сторону напыляемых деталей.

Было установлено, что распределение плотности парового потока (рис. 6) изменяется косинусообразно. Плотность парового потока в действительности уменьшается при увеличении угла φ (падения потока пара на подложку) более резко, поэтому и рекомендуется устанавливать радиус R размещения подложки довольно большим.

Характер изменения профиля парового потока анализировали по результатам измерения толщин (табл. 2) и микроструктур (рис. 7) покрытий на различных участках пластин, в зависимости от места их установки над тиглем.

Как видно (рис. 7), наклон кристаллитов и толщина керамического слоя согласуются с изменением профиля плотности парового потока осаждаемой керамики. Видно, что в центральной части пластин (рис. 7, а) толщина покрытия больше на 10…15 %, чем при удалении от центральной части (рис. 7, б, в, г), а угол наклона керамических столбов достигает 10…13° (рис. 7, в, г). Следовательно, на периферии рабочей зоны эксплуатационные характеристики формируемого покрытия будут ниже.

Характер изменения толщины покрытия наблюдается и на других образцах – пластинах (рис. 5, 7).

С учетом вышесказанного для концентрации парового облака испарителя как один из возможных вариантов предлагается установить над тиглем специальный конус (рис. 8), с охлаждением его стенок или неохлаждаемый (это придется выяснять в экспериментах, а также определять степень конденсации испаряемого из тигля материала на стенках этого конуса). На электронно-лучевой установке перемещение электронного пучка производится сканированием под углом ~ 50^о к поверхности тигля. В результате чего электронный пучок будет попадать на тигель через открытое отверстие в защитном конусе вблизи его основания. Необходимо также и отверстие для наблюдения за поверхностью испаряемого материала. Поэтому часть парового потока в этом случае будет сразу выходить в вакуумную камеру.

Предложенная авторами доработка электронно-лучевой установки призвана обеспечить снижение расхода испаряемого материала.

Выводы

Установлено, что паровой поток испаряемого материала в электронно-лучевой установке имеет косинусоидальный характер распределения плотности, который существенно влияет на толщину и микроструктуру формируемого покрытия в различных областях рабочей зоны.

Экспериментально установлено изменение толщины покрытия и направления роста кристаллитов керамики в зависимости от расположения поверхности подложки относительно центра тигля.

Предложена доработка электронно-лу­че­вой установки, призванная сконцентрировать паровой поток с целью увеличения коэффициента использования испаряемого материала.