CC BY
173
УДК 621.438
А. В. Богуслаев, В. В. Мурашко
ГАЗОЦИРКУЛЯЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Представлена установка и процесс нанесения газоциркуляционного покрытия на поверхности рабочих лопаток турбины ГТД.
Постановка проблемы и ее связь с практическими задачами
Для обеспечения высоких летно-технических характеристик новых типов самолетов лопатки турбины ГТД из жаропрочных сплавов должны обладать высокими характеристиками жаростойкости, способности противостоять газовой коррозии и термоусталостной повреждаемости.
Современный уровень рабочих температур и мощности ГТД во многом определяется применением охлаждаемых лопаток турбины со сложной конфигурацией внутренней полости с охлаждаемыми каналами, сообщающимися с воздухоподво-дящими каналами, газовым трактом двигателя, с системой перфорационных отверстий.
При такой ажурной конструкции лопаток защита внутренней и наружной трактовых поверхностей от высокотемпературной газовой коррозии проблематична.
В настоящий момент единственным методом получения покрытий на охлаждаемых лопатках любой конфигурации является 2-х стадийное газоциркуляционное покрытие (ГЦП) системы Ы1-А1-Сг.
Обзор публикаций и анализ переменных задач
Химико-термическая обработка металлов в активизированных газовых средах, многокомпонентные диффузионные покрытия широко применяются для повышения ресурса деталей, работающих при знакопеременных нагрузках и высоких температурах в процессе их эксплуатации [1, 2, 3].
Основными недостатками известных технологических процессов нанесения покрытий является низкая их сцепляемость с основой, что снижает ресурс и надежность деталей в процессе их эксплуатации.
Содержание и результаты исследований
Применяемое для процесса ГЦП оборудование на ОАО "Мотор Сич" представляет собой циркуляционную установку шахтного типа.
Рис. 1. Схема установки 1ПЦ: 1 - поддон; 2 - реторта; 3 - электропечь; 4 - лопатки; 5 - экран; 6 - крыльчатка; 7- отражатели; 8 - крышка; 9 -мановакууметр; 10 - электродвигатель; 11 - преобразователь ПМТ-2; 12 - вентиль; 13 - вакуумметр ВТ-6; 14 -потенциометр КСП-4; 15 - фильтр; 16 - насос АВЗ-20Д
Вакуумная реторта с водоохлаждаемой крышкой. На крышке установлен электродвигатель для привода крыльчатки вентилятора. Лопасти вентилятора заходят в полость цилиндрического направляющего экрана, внутри которого устанавливаются лопатки. На крышке реторты установлены отражатели для выравнивания температуры в реторте. Цилиндрический экран с лопатками установлен на поддон, в котором расположена смесь для насыщения лопаток. Вакуумная реторта через запорный вентиль и фильтр соединена с насосом АВЗ-20Д для вакуумирования реторты с последующим переносом в электропечь шахтного типа. Для контроля процесса вакуумирования (откачки) и избыточного давления в процессе насыщ е н и я на крыш -ке реторты установлен мановакууметр типа О Б М 1-
© А. В. Богуслаев, В. В. Мурашко 2006
г
100 ГОСТ 2405-80 кл. точности 2,5 со шкалой от -1 до +3 (кгс/см2). В связи с тем, что процесс ГЦП идет при Т = 950...100 °С в присутствии галогенов, применяемые материалы, соприкасающиеся со средой, должны быть устойчивы к агрессивной среде при высоких температурах. Таким материалом выбран сплав ЭИ 435.
В процессе запуска и доводки процесса ГЦП до уровня серийного производства обнаружились проблемы с качеством покрытия - отсутствие сцепления активной зоны покрытия с диффузионной из-за наличия окислов. Окисление происходит как в процессе нагрева (окисление поверхности лопаток), так и в процессе насыщения.
Такие дефекты покрытия стали возможны из-за недостаточной герметичности реторты или недостаточного вакуумирования реторты, которое при существующем оснащении оборудования обнаружить сложно.
Для решения данного вопроса и улучшения качества покрытия была предложена модернизация существующего оборудования. На крышке реторты установлена лампа ПМТ-2, которая подключена к прибору ВТ-6 для вывода показаний вакуума в реторте, а также установлено допустимое натекание для обеспечения качественного покрытия. Для регистрации показаний вакуума и натека-ния установлен прибор КСП-4.
В процессе нанесения ГЦП (алитирования) в смеси, состоящей из Рв-А1 и активатора ЫН4С1, происходит попутное насыщение железом и азотом. Количество железа в покрытии достигает зонально до 6......10 %, что снижает качество покрытия. Для снижения содержания Ре и N2 в покрытии предложено заменить лигатуру и активатор. После применения лигатуры №А1 с активатором хлористого алюминия А1С1з удалось снизить содержание Р е в покрытии менее 1% и исключить азотирование покрытия, получаемого газоциркуляционным методом.
В процессе ГЦП (алитирования), особенно в завершающей стадии, насыщающие газы образуют конденсат из-за температурного перепада между водоохлаждаемой крышкой и зоной, в которой находятся насыщаемые детали, что приводит к повреждению (разъеданию) покрытия и деталей. Для предотвращения данного дефекта доработана конструкция крышки реторты. Крышка реторты футерована термостойкой ватой из А12О3 и изолирована от рабочего пространства печи колпаком из сплава ЭИ 435.
Процесс нанесения ГЦП системы №-А!-Сг осуществляется в 2 стадии.
Первая стадия - хромирование состоит из абразивной подготовки лопаток под покрытие, нанесение покрытия газоциркуляционным методом в присутствии активатора путем переноса атомов хрома из смеси на поверхность лопаток посредством га-
логенов при температуре 1000 °С.
Вторая стадия - алитирование производится аналогично первой стадии, кроме состава насыщающей смеси.
После завершения второй стадии нанесения ГЦП лопатки подвергаются диффузионному отжигу в вакуумных печах при температуре 1050 °С и остаточном давлении 1,3 (10-1...10-3) Па.
Рис. 2. Внешний вид установки
Величина и качество покрытия ГЦП определяются металлографически на лопатках-образцах по наружной и внутренней поверхностям.
Микроструктура покрытия состоит из двух зон: внешней однофазной и внутренней (диффузионной) - многофазной. Содержание А1 в наружной зоне
покрытия составляет 18......22 % и 4...4,5 % Сг.
Диффузионная зона содержит 12...14 % А1 и 6...7,5 % Сг, а также повышенное содержание по сравнению с основным материалом V, N6, W, что создает дополнительную ' 'барьерность" элементов, препятствующую обеднению основного материала лопаток в процессе эксплуатации.
Микротвердость покрытия имеет значения 560...630 НV0,010.
Рис. 4. Внешний вид лопаток после газоциркуляционного хромоалитирования
Рис. 5. Внешний вид внутренней полости лопатки после
эксплуатации без применения газоциркуляционного хромоалитирования
Лопатки с покрытием внутренней полости газоциркуляционным хромоалитированием находятся в длительной эксплуатации на серийных изделиях.
В результате 2-х стадийного процесса нанесения ГЦП в покрытие удается ввести дополнительное количество Сг (до 6...7 % по массе), что особенно важно для сплавов типа ЖС с малым содержанием хрома, с дальнейшим нанесением покрытий СДП-2, ВСДП-16 на наружные поверхности лопаток на установках МАП.
Покрытие Ы1-А1-Сг оказывает положительное влияние на длительную прочность жаропрочных сплавов, повышает жаропрочность.
Перспективы дальнейших исследований
Дальнейшие экспериментальные исследования должны быть направлены на определение влияния
технологической наследственности параметров ГЦП на внутренней полости рабочих лопаток турбины на их эксплуатационные свойства.
Выводы
1. Внедрение технологии ГЦП позволило осуществлять нанесение защитного двухслойного покрытия на внутренние каналы лопаток турбины и четырехслойного покрытия на наружные поверхности.
2. Нанесение комплексных покрытий позволяет повысить ресурс лопаток турбины в 1,5......2 раза.
3. Применение при ГЦП исходных материалов, не содержащих Ре и N2 повышает адгезию ионно-плазменных покрытий.
Список литературы
1. Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов в активизированных газовых средах. Москва: "Машиностроение". - 1979 г.
2. Ляхович. Многокомпонентные диффузионные покрытия. Минск: "Наука и техника". - 1974 г.
3. Арзамасов Б.Н. Построение и применение равновесных диаграмм состояния с галоидом. Приложение №2 к инженерному журналу 2/ 2002.
Поступила в редакцию 20.06.2006 г.
Представлено установку й процес нанесення газоциркуляцйного покриття на поверхн1 робочих лопаток турб1ни ГТД.
An installation and the process of applying gas circulating coating on to working blades surfaces of GTE are presented.
