ZB - 10

1. ZB - 10 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 Nowoczesne pokrycia barierowe na krytyczne elementy silnika lotniczego

2. Podzadanie 1. POLITECHNIKA LUBELSKAModelowanie 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%)

3. Podzadanie 1. POLITECHNIKA LUBELSKAModelowanie 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.

4. Podzadanie 2. POLITECHNIKA ŚLĄSKAOpracowanie 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 72% at. Al Strefa zewnętrzna NbSi2 62% at. Si 18 mm 22 mm Strefa dyfuzyjna Nb3Si 20% at. Si Strefa dyfuzyjna Nb2Al 35% at. Al Materiał podłoża - Nb Materiał podłoża - Nb Mikrostruktura powłoki krzemkowej na Niobie Mikrostruktura powłoki aluminidkowej na Niobie

5. Podzadanie 2. POLITECHNIKA ŚLĄSKAOpracowanie 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. Strefa zewnętrzna NbSi2 62% at. Si 17 mm Strefa dyfuzyjna Nb3Si 17% at. Si Powłoki modyfikowane krzemem na stopach Nb Strefa zewnętrzna 53% at. Si, 8% at. Al Materiał podłoża - Nb 17 mm Strefa wewnętrzna 31% at. Si 3 mm Materiał podłoża - Nb Mikrostruktura powłoki na niobie otrzymanej w procesie jednoczesnego Al - Si Mikrostruktura aluminiowanej powłoki krzemkowej na niobie

6. Podzadanie 10. POLITECHNIKA ŚLĄSKAWykonanie powłokowych barier cieplnych z wykorzystaniem metody gazowego aluminiowania pod obniżonym ciśnieniem metodą APS oraz EB-PVD na łopatkach kierujących turbiny. Badania nieniszczczące powłok.

7. Podzadanie 10. POLITECHNIKA ŚLĄSKAWykonanie 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

8. Podzadanie 10. POLITECHNIKA ŚLĄSKAWykonanie powłokowych barier cieplnych z wykorzystaniem metody gazowego aluminiowania pod obniżonym ciśnieniem metodą APS oraz EB-PVD na łopatkach kierujących turbiny. Badania nieniszczczące powłok.

9. Podzadanie 10. POLITECHNIKA ŚLĄSKAWykonanie powłokowych barier cieplnych z wykorzystaniem metody gazowego aluminiowania pod obniżonym ciśnieniem metodą APS oraz EB-PVD na łopatkach kierujących turbiny. Badania nieniszczczące powłok.

10. Podzadanie 3. POLITECHNIKA RZESZOWSKAOpracowanie 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 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) Kinetyka utleniania nadstopów niklu w temperaturze 1100°C/1000h po procesie CVD modyfikowanym Hf w temperaturze 1020°C/6h

11. Podzadanie 3. POLITECHNIKA RZESZOWSKAOpracowanie 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 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 Dyfraktogram aluminidkowej warstwy wytworzonej na podłożu z nadstopu In100 w procesie CVD w temperaturze 1050°C/8h po procesie utleniania

12. Podzadanie 3. POLITECHNIKA RZESZOWSKAOpracowanie 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 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 Dyfraktogram aluminidkowej warstwy modyfikowanej Hf wytworzonej na podłożu z nadstopu MAR-M 247 po procesie utleniania

13. Podzadanie 3. POLITECHNIKA RZESZOWSKAOpracowanie 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).

14. Podzadanie 9. POLITECHNIKA WARSZAWSKAOpracowanie 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).

15. Podzadanie 9. POLITECHNIKA WARSZAWSKAOpracowanie 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)

16. Podzadanie 9. POLITECHNIKA WARSZAWSKAOpracowanie 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

17. CrN Podzadanie 9. POLITECHNIKA WARSZAWSKAOpracowanie 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

18. Podzadanie 9. POLITECHNIKA WARSZAWSKAOpracowanie 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

19. Podzadanie 9. POLITECHNIKA WARSZAWSKAOpracowanie 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 Rozkład stężeń pierwiastków (N, Cr, Nb, Ni) na przekroju poprzecznym warstwy wytworzonej w procesie azotowania jarzeniowego w plazmie Impulsowej. Analiza AES

20. Podzadanie 9. POLITECHNIKA WARSZAWSKAOpracowanie 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. 10m. 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 niklu-Inconel 718

21. Podzadanie. UNIWERSYTET RZESZOWSKIWykonanie platformy dla pomiarów termowizyjnych gorących części silnika przy wzbudzeniu imitującym komorę spalania silnika odrzutowego Schemat platformy do prowadzenia badań termowizyjnych

22. Podzadanie. UNIWERSYTET RZESZOWSKIWykonanie platformy dla pomiarów termowizyjnych gorących części silnika przy wzbudzeniu imitującym komorę spalania silnika odrzutowego Komora spalania platformy do prowadzenia badań termowizyjnych

23. Podzadanie. UNIWERSYTET RZESZOWSKIWykonanie platformy dla pomiarów termowizyjnych gorących części silnika przy wzbudzeniu imitującym komorę spalania silnika odrzutowego Komora spalania platformy do prowadzenia badań termowizyjnych

24. Podzadanie. UNIWERSYTET RZESZOWSKIWykonanie 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 ostygania po czasie t=30s Łopatki w trakcie ostygania po czasie t=4 min Łopatki w trakcie wzbudzenia

25. Dane do wskaźników realizacji celów projektu WSKAŹNIKI Publikacje zgłoszone i przygotowywane T.Sadowski, L.Marsavina, “Multiscalemodelling of gradual degradation in Al2O3/ZrO2 ceramic composites under tension”, Mat. Sci. Forum, 638-642 (2010) 2743-2748. K.Nakonieczny, T.Sadowski, Erratum: “Modelling of thermal shocks in composite materials using a meshfree FEM. Comput. Mat. Sci. 47 (2010) 867. G. Moskal:„Characteristics of selected thermal properties of 8YSZ type powders produced with different methods”, Europhysical Conference on Defects in Insulating Materials (EURODIM 2010). 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). G.Moskal, LucjanSwadźba, BartoszWitala:„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. G.Moskal, LucjanSwadźba, MarekHetmańczyk, BartoszWitala:„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 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

26. 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 • 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

27. Dane do wskaźników realizacji celów projektu WSKAŹNIKI • Udział w konferencjach: • 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

28. 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