THEORETICAL STUDY OF THE INFLUENCE OF HAFNIUM OXIDE ON THE THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF THERMAL BARRIER COATINGS OF GAS TURBINE ENGINE BLADES

В. М. Клименко, Д. І. Безпалов, О. В. Довженко

Abstract


The article discusses thermal barrier coatings (TBC) for cooled working blades of high-pressure turbines in gas turbine engines. TBCs allow for a reduction in operating temperatures on the blade surfaces, which contributes to increased engine efficiency by enabling operation at higher temperatures. The results of computational studies demonstrate that the effectiveness of TBCs significantly depends on the blade design, features of its cooling system, coating thickness, operating temperatures, and loads. The potential for an improved TBC is theoretically substantiated through the integration of hafnium oxide (HfO2) as a stabilizer. This facilitates the relaxation of internal stresses in the crystal lattice, shifts phase transitions to higher temperatures, increases the melting point of the mixture, and enhances thermal resistance, which overall improves the operational characteristics of the TBC. The summaries of parametric analyses of the new TBC using a mathematical model of thermal conductivity in a multilayer structure are described. The implementation of an improved ceramic element with HfO2 reduces the heating of the base blade material by 10–13% compared to the traditional layer based on ZrO2–Y2O3 (YSZ). Additional studies confirm that the addition of hafnium reduces thermal conductivity by 20–30%
(to 0.5–1.1 W/(m·K)), decreases the Young's modulus, and improves resistance to sintering. For example, the 7.5YSH coating (yttria-stabilized hafnia) exhibits better properties than the standard 8YSZ, with the potential to reduce blade temperature by 6.5–19.5% depending on thickness (100–500 μm) and material, such as lanthanum zirconate (La2Zr2O7). The influence of Hf additives on the strength and growth kinetics of thermally grown oxide (TGO) is considered, which extends the service life of the TBC. The optimal coating thickness is determined through the study of hot corrosion, and the phase stability of HfO2 up to 2573 K makes it promising for TBC. Studies indicate a reduction in thermal stresses and improved adhesion due to Hf, but emphasize dependence on composition (for example, Mo, Ta, Re >0.5 at.% worsen oxidation). Compared to YSZ, hafnium coatings have lower ionic conductivity (9.2×10^-4 S·cm^-1 vs 0.1 S·cm^-1), reducing oxygen permeability. Thermal cycling shows better durability than in LZ (La2Zr2O7), with a lifespan of up to 3238 cycles for La2Ce2.09O7.18. Overall, the integration of HfO2 opens the way to sixth-generation TBCs for temperatures >1700 °C, increasing gas turbine efficiency by 10–15%. Prospects include combined systems (LZ/YSZ) to extend service life.


Keywords


thermal barrier coating, gas turbine engine, turbine blade, coating, durability, residual stresses, computational model, thermal state, stress state, service life.

References


Ющенко К. А., Малашенко І. С., Яровицин А. В., Кушнарьова Т. М., Гусєв Ю. В., Петрик І. А. Аналіз руйнування та довговічності лопаток турбін з захисним покриттям. // Вібрації в техніці та технологіях. – Вінниця : ВНАУ, 2015. – № 1. – С. 117–124.

Балушок К. Б., Селіверстов О. Г., Прокопенко О. М., Сахно С. С. Оцінка можливості виявлення тріщин під час контролю ЛЮМ1-ОВ на лопатках турбін після нанесення комплексних жаростійких покриттів. // Авіаційна та космічна техніка і технологія. - Харків : ХАІ, 2024. - № 5. - С. 46–55.

Mechanical and thermo-physical properties of plasma-sprayed thermal barrier coatings: a literature survey [Text] / P. Planques, V. Vidal, P. Lours, V. Proton, F. Crabos, & et al. // Oxidation of Metals. – 2017. No. 88. – P. 133–143. DOI: 10.1007/s11085-016-9693-1.

Визначення технологічних параметрів лазерного випромінення для отримання субмікро- та наноструктур у зміцнювальних покриттях на сталях / Ю. В. Широкий, Ю. О. Сисоєв, Т. О. Постельник // Відкриті інформаційні та комп'ютерні інтегровані технології. – 2023. – № 98. – С.77-90.

Movchan, B. A. Advanced graded protective coatings, deposited by EB-PVD [Text] / B. A. Movchan, & K. Yu. Yakovchuk // Materials Science Forum. – 2007. – Vols. 546–549. – P. 1681–1688.

Яровицин А. В. Расчетная оценка эффективности применения теплозащитных покрытий на охлаждаемых рабочих лопатках турбин высокого давления. // Вісник двигунобудування. – Запоріжжя : ЗНТУ, 2014. – № 1. - С. 88 96.

Clarke D. R., Ochsner M., Padture N. P. Thermal-barrier coating for more efficient gas-turbine engines // Materials research society. 2012. Vol. 37. P. 891–898.

Визначення впливу внутрішніх енергій кристалічної решітки на отримання наноструктур у поверхневих шарах алюмінієвих сплавів / Ю. В. Широкий, // Відкриті інформаційні та комп'ютерні інтегровані технології. – 2023. – № 99. – С. 32-43.

Je-Chin, Sandip Dutta, Strinath Ekkad. Gas turbine heat transfer and cooling technology. New York: CRC Press, 2012, 887 p.

Таврін В. А., Колесник Є. В. Аналіз шляхів підвищення температури газів перед турбіною сучасних газотурбінних двигунів літаків. // Системи озброєння і військова техніка. – Київ : ХНУПС, 2020. – № 1 (61). – С. 175–181.

Єфанов В. С. Вплив технології виготовлення випаровуємих катодів на якість іонно-плазмового покриття на лопатки турбін. // Авіаційна та космічна техніка і технологія. – Харків : ХАІ, 2021. – № 6. – С. 34–42.

Modeling the conditions for obtaining nanostructures during ion-plasma processing taking into account the quantum-mechanical properties of electrode material / Yurii Shyrokyi, Iurii Sysoiev, Yevhen Fesenko // Авіаційно-Космічна Техніка І Технологія, 2024, № 3(195), pp. 68-76.

Гречанюк М. І. Промислова технологія нанесення двошарових плазмових теплозахисних покриттів на соплові лопатки газових турбн // Порошкова металургія. – Київ : ІПМ НАНУ, 2020. – № 5/6. – С. 3–13.

Дзядикевич Ю. В. Захист елементів двигунів транспортних засобів від окислення за допомогою комбінованих покриттів на лопатках турбін // Матеріали та процеси в автомобілебудуванні. - Кропивницький : КНТУ, 2019. – № 7 (38). – С. 15–22.

Theoretical study of thermal processes on carbon electrodes as a result of plasma action during nanostructure generation in a vacuum arc / Ю. В. Широкий, Ю. О. Сисоєв, О. В. Торосян, П. Р. Жидєєв // Відкриті інформаційні та комп'ютерні інтегровані технології. – 2024. – № 100. – С.77-93.

Гоц В. І., Ластівка О. В. Електропроменеві та плазмові жаростійкі й термобар'єрні покриття для лопаток турбін. // Порошкова металургія. - Київ : ІПМ НАНУ, 2020. - № 5/6. - С. 3–13.

Determination of temperature conditions for the formation of submicro- and nanostructures under ion impact on magnesium alloys in a plasma environment / Ю. В. Широкий, Ю. О. Сисоєв, О. В. Торосян, П. Р. Жидєєв // Відкриті інформаційні та комп'ютерні інтегровані технології. – 2024. – № 102. – С. 75-91.

Mishra R., Thomas J., Srinivasan K., Nandi V. Raghavendra Bhatt, R. Failure analysis of an un-cooled turbine blade in an aero gas turbine engine. Eng. Fail. Anal. 2017, 79, 836–844.

Дослідження температурних полів на сталях з урахуванням кінцевої швидкості розповсюдження тепла при моделюванні умов отримання наноструктур у плазмовому середовищі / Ю. В. Широкий, Ю. О. Сисоєв, К. В. Фесенко, Т. О. Постельник // Відкриті інформаційні та комп'ютерні інтегровані технології. – 2024. – № 101. – С. 98-111.

Гречанюк В. М. Електропроменеві та плазмові жаростійкі й термобар'єрні покриття, осаджені на лопатки турбін з використанням литих та порошкових сплавів Ni(Co)CrAlY(Si). // Порошкова металургія. – Київ : ІПМ НАНУ, 2020. – № 4. – С. 34–42.

Ефанов В. С. Формування структури лопаток турбіни з жаростійким покриттям. // Матеріалознавство. – Запоріжжя : ЗНУ, 2018. – № 3. – С. 47–60.




DOI: https://doi.org/10.32620/oikit.2026.108.07

Refbacks

  • There are currently no refbacks.