CC BY
56
2006 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА №108
серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов.
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 629.735.015
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ СЛОЕВ ЗАЩИТНЫХ АЛЮМИНИДНЫХ ПОКРЫТИЙ
В. М. САМОЙЛЕНКО
Статья представлена доктором технических наук, профессором Воробьевым В.В.
В статье рассматриваются сравнительные характеристики стабильности защитных покрытий и предлагаются пути увеличения стабильности алюминидных покрытий для лопаток турбины ГТД с целью увеличения их долговечности.
При проектировании нового типа двигателя должно выполняться требование к обеспечению безопасности полетов по условиям прочности конструкции. При установлении ресурса должны учитываться: влияние износа и возможное снижение прочностных характеристик конструкции, вызываемое температурными воздействиями, коррозией и другими изменениями конструкции в процессе эксплуатации. Одним из наиболее нагруженных элементов конструкции двигателя является рабочая лопатка турбины, которая защищается от высокотемпературного окисления защитным покрытием.
Анализу механизмов исчерпания защитных свойств алюминидных покрытий посвящено множество работ [1-6]. Установлено, что исчерпание защитных свойств жаростойкого покрытия происходит за счет высокотемпературного окисления, диффузионного взаимодействия со сплавом и термоусталостного растрескивания покрытия. Причем, для применяемых в настоящее время систем «сплав-покрытие» диффузионные процессы вносят существенный вклад в механизм исчерпания защитных свойств [1-2, 4-6]. Таким образом, проблема повышения защитных свойств, а следовательно, и долговечности, жаростойких покрытий при температурах порядка 11500С может быть решена путем увеличения их стабильности. Стабильность защитных покрытий рассматривает сохранение в течение длительного срока службы химического и фазового состава покрытий, сохранение его структуры, толщины покрытия и составляющих его зон. Стабильность покрытия определяется скоростью диффузионного обмена с подложкой. Для уменьшения диффузионных потоков элементов сплава и покрытия и, тем самым, обеспечения стабильности покрытия необходимо:
во-первых, сформировать внутреннюю зону покрытия, в которой образуются карбиды и интерме-таллиды, препятствующие диффузионным потокам элементов;
во-вторых, легировать покрытие элементами, которые, находясь в в, либо у фазе, затрудняют диффузионные процессы.
В связи с этим важное значение приобретает задача изучения диффузионных процессов в системе «сплав-покрытие ».
Проведем сравнительное исследование диффузионных процессов комплексного покрытия, конденсационного - СДП-2 + ВСДП16 и комбинированного покрытия системы М-Сг-АЬТа^-Ш^-У + Сг-А1-У.
Комплексные и комбинированные диффузионные покрытия с подслоем МСгУ, СоСгУ, МСгАТТа, МСгАГТаН^^ и др., после которого проводят обычно алитирование или хромоалитирование, отличаются высокой плотностью и применяются в термообработанном состоянии. Однако и плотные покрытия изменяют состав и структуру под действием температуры и давления среды. Для изучения влияния температуры на защитные свойства жаростойких покрытий проведем испытания на изотермическую жаростойкость. С целью разграничения вклада окислительных процессов в механизм исчерпания защитных свойств покрытий, исследования проводили в вакууме при температуре 11500С. Время испытания составляло 200 часов.
Существенное влияние на срок службы покрытия оказывает легирование вольфрамом, который наиболее эффективно повышает температуру солидуса материала покрытия, повышает жаропрочность, тормозит диффузионные процессы и, таким образом, замедляет диффузионное взаимодействие как между защищаемым сплавом и покрытием, так и непосредственно в покрытии. Вольфрам может вводиться как при односта-
дийном нанесении многокомпонентных покрытий, так и при двухстадийном, когда процессу формирования структуры (В+у1) - твердых растворов предшествует легирование поверхностного слоя хромом с вольфрамом, хромом с танталом, хромом с вольфрамом и танталом или предварительное нанесение тонких пленок слоя первичного покрытия конденсационными способами, содержащего тугоплавкие элементы, в частности тантал и вольфрам.
Наличие в никелевых сплавах таких элементов, как титан и ванадий, которые проникают в покрытие из сплава, оказывают отрицательное влияние на скорость окисления образцов. Тантал и вольфрам, содержащиеся в покрытии, взаимодействуют с углеродом, движущимся из сплава в покрытие, формируют дисперсные частицы карбидов типа МеС с малым содержанием углерода и препятствуют проникновению титана и ванадия в покрытие и соответственно в оксидную пленку а-А1203 при окислении покрытия. Наиболее эффективно воздействие тантала.
Аналогичное действие оказывают диффузионные барьерные слои, создаваемые в поверхностных слоях сплавов с целью торможения реакций, а также для торможения диффузии в покрытия упрочняющих элементов, таких как Мо, №, V, Т1, которые, поступая в покрытия, снижают защитные свойства оксидной пленки, увеличивают скорость окисления, потерю алюминия по реакциям и, тем самым, значительно снижают стабильность В-фазы и долговечность защитных систем.
В конденсированных и диффузионных покрытиях значительная роль в процессах дестабилизации покрытий может принадлежать углероду. Обогащение внутренней зоны сплавов такими элементами, как Сг, ", Мо в процессе работы лопаток газовых турбин, связанное с диффузией никеля в покрытие и диффузией углерода из сплава в покрытие, нередко способствуют созданию условий для формирования массивных столбчатых образований карбидной фазы типа М6С, а также карбидов типа М23С6, расположенных чаще преимущественно на границе раздела внутренней и внешней зон покрытий.
В процессе выдержки при температуре 11500С толщина покрытия вначале возрастает (рис. 1). Это можно объяснить тем, что в покрытие поступают легирующие элементы и в первую очередь никель, который вступает во взаимодействие с алюминием, формирует новые «порции» алюминида никеля. При этом сплав обедняется никелем, что приводит к увеличению толщины внутренней зоны покрытия. Алюминий для образования этих «порций» алюминида никеля поступает из наружной зоны покрытия. С увеличением времени выдержки количество алюминия монотонно уменьшается во всех покрытиях (рис. 2). Поступление никеля с увеличением времени уменьшается (рис. 3). В связи с этим наблюдается и замедление увеличения толщины покрытия. При дальнейшей выдержке увеличение толщины покрытия прекращается, а в дальнейшем наблюдается ее уменьшение. Это можно объяснить, по-видимому, преобладающим уменьшением алюминия над поступлением никеля и диффузией легирующих элементов из покрытия в подложку.
Ь мкм
ч
Рис. 1. Изменение толщины покрытий конденсационного (1), комбинированного (2) и комплексного (3) от времени при длительном отжиге в вакууме
Часто скорость исчерпания защитных свойств оценивают по стабильности фазы В-МА1 в структуре покрытия. Распад фазы В-МА1 вызывается рядом процессов, которые включают в себя, в конечном итоге, уменьшение концентрации атомов алюминия и увеличение концентрации атомов никеля, переход в область диаграммы системы М-А1 с фазами В+у' и далее к у/у'.
Это обстоятельство позволяет заключить, что стабильностью В-фазы можно достаточно эффективно управлять путем целенаправленного легирования и создания барьерных слоев, решая тем самым и проблему повышения механических свойств покрытий при сохранении высокой сопротивляемости газовой коррозии. Легирование диффузионных покрытий хромом, вольфрамом обеспечивает заметное увеличение стабильности В-№А1 во внешней зоне покрытия и повышение прочности при хорошем сопротивлении высокотемпературному окислению.
Al, %
Рис. 2. Изменение концентрации алюминия в наружной зоне покрытий: комбинированного (1), конденсационного (2) и комплексного (3) в зависимости от времени при длительном отжиге в вакууме
Рис. 3. Изменение концентрации никеля в наружной зоне покрытий: комбинированного (1), комплексного (2) и конденсационного (3) от времени при длительном отжиге в вакууме
ЛИТЕРАТУРА
1. Абраимов Н.В. Высокотемпературные материалы и покрытия для газовых турбин.- М.: Машиностроение, 1993.
2. Коломыцев П.Т. Высокотемпературные защитные покрытия для никелевых сплавов.- М.: Металлургия, 1991.
3. Мовчан Б.А., Малашенко Н.С. Жаростойкие покрытия, осаждаемые в вакууме.- Киев: Наукова думка, 1983.
4. Коломыцев П.Т., Кочетов С.А. Исследование диффузионных процессов в комбинированном жаростойком покрытии на жаростойком никелевом сплаве. В кн.: «Защитные покрытия».- М.: ВВИА им Н.Е. Жуковского, 1990.
5. Tamarin Y. Protective Coatings for Turbine B Cades The Materials information Society. - Ohio. Materials Park, 2002.
THE DEVELOPMENT OF THE MATHEMATICAL MODEL CHOOSING THE RATIONAL COMPOSITION OF COMBINED COATING DIFFUSION LAYER FOR GTE TURBINE BLADES
Samoylenko V.M.
The article looks upon choosing the ways of soling the problem of choosing the rational composition of combined coating diffusion layer for GTE turbine blades in order to make its life longer.
Сведения об авторе
Самойленко Василий Михайлович, 1961 г.р., окончил ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (1990), кандидат технических наук, доцент, заместитель начальника факультета ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, автор более 30 научных работ, область научных интересов - технология производства и ремонт авиационной техники.
