Научная статья на тему 'ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО КОНСТРУКТИВНО-ПОДОБНОГО ОБРАЗЦА СЕКТОРА СОПЛОВОГО АППАРАТА И ПРОВЕДЕНИЕ ЕГО ИСПЫТАНИЙ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ 1500 °С'

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО КОНСТРУКТИВНО-ПОДОБНОГО ОБРАЗЦА СЕКТОРА СОПЛОВОГО АППАРАТА И ПРОВЕДЕНИЕ ЕГО ИСПЫТАНИЙ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ 1500 °С Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
90
31
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Труды ВИАМ
ВАК
RSCI
Ключевые слова
КЕРАМИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ / КАРБИД КРЕМНИЯ / СЕКТОР СОПЛОВОГО АППАРАТА / СПЛАВ ЭП648 / ПАЙКА / ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ / CERAMIC COMPOSITE MATERIAL / SILICON CARBIDE / NOZZLE ASSEMBLY SECTOR / ALLOY EP648 / SOLDERING / HIGH TEMPERATURE TESTS

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Лебедева Ю.Е., Афанасьев-Ходыкин А.Н., Прокопченко Г.М., Шавнев А.А., Серебряков Д.И.

Проведено исследование взаимодействия керамического композиционного материала (ККМ) системы SiC-SiCw-B4C-AlN со сплавом ЭП648 в процессе высокотемпературной пайки. Наименьшей эрозионной активностью как по отношению к ККМ, так и к сплаву ЭП648 обладает припой ВПр50. Изготовлен экспериментальный конструктивноподобный образец сектора соплового аппарата с применением прототипов неохлаждаемой сопловой лопатки из ККМ, испытания которого проведены при температуре 1500 °С. Следов уноса материала с поверхности ККМ не обнаружено.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Лебедева Ю.Е., Афанасьев-Ходыкин А.Н., Прокопченко Г.М., Шавнев А.А., Серебряков Д.И.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

OBTAINING OF EXPERIMENTAL CONSTRUCTIONALLY SIMILAR SAMPLE OF THE NOZZLE ASSEMBLY SECTOR AND CARRYING OUT ITS TESTS AT TEMPERATURE OF 1500 °С

The interaction of the SiC-SiCw-B4C-AlN system ceramic composite material (CCM) with the EP648 alloy in the process of high-temperature brazing was studied. The smallest erosion activity both in relation to CCM, and to the EP648 alloy, has HMP solder VPr50. An experimental constructionally similar sample of the nozzle assembly sector was made using uncooled nozzle blade prototypes from CCM. Tests of an experimental constructionally similar sample of the nozzle assembly sector at a temperature of 1500 °C were carried out. No traces of material ablation from the surface of the CMC were found.

Текст научной работы на тему «ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО КОНСТРУКТИВНО-ПОДОБНОГО ОБРАЗЦА СЕКТОРА СОПЛОВОГО АППАРАТА И ПРОВЕДЕНИЕ ЕГО ИСПЫТАНИЙ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ 1500 °С»

УДК 666.3:620.1

Ю.Е. Лебедева1, А.Н. Афанасьев-Ходыкин1,

11 2 Г.М. Прокопченко , А.А. Шавнев , Д.И. Серебряков

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО КОНСТРУКТИВНО-ПОДОБНОГО ОБРАЗЦА СЕКТОРА СОПЛОВОГО АППАРАТА И ПРОВЕДЕНИЕ ЕГО ИСПЫТАНИЙ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ 1500 0С

DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-10-51 -62

Проведено исследование взаимодействия керамического композиционного материала (ККМ) системы SiC-SiCw-B4C-AlN со сплавом ЭП648 в процессе высокотемпературной пайки. Наименьшей эрозионной активностью как по отношению к ККМ, так и к сплаву ЭП648 обладает припой ВПр50. Изготовлен экспериментальный конструктивно-подобный образец сектора соплового аппарата с применением прототипов неохлажда-емой сопловой лопатки из ККМ, испытания которого проведены при температуре 1500 °С. Следов уноса материала с поверхности ККМ не обнаружено.

Ключевые слова: керамический композиционный материал, карбид кремния, сектор соплового аппарата, сплав ЭП648, пайка, высокотемпературные испытания.

Yu.E. Lebedeva1, A.N. Afanasev-Hodikin1,

G.M. Prokopchenko1, A.A. Shavnev1, D.I. Serebryakov2

OBTAINING OF EXPERIMENTAL CONSTRUCTIONALLY SIMILAR SAMPLE OF THE NOZZLE ASSEMBLY SECTOR AND CARRYING OUT ITS TESTS AT TEMPERATURE OF 1500 о С

The interaction of the SiC-SiCw-B4C-AlN system ceramic composite material (CCM) with the EP648 alloy in the process of high-temperature brazing was studied. The smallest erosion activity both in relation to CCM, and to the EP648 alloy, has HMP solder VPr50. An experimental constructionally similar sample of the nozzle assembly sector was made using uncooled nozzle blade prototypes from CCM. Tests of an experimental constructionally similar sample of the nozzle assembly sector at a temperature of 1500 °C were carried out. No traces of material ablation from the surface of the CMC were found.

Keywords: ceramic composite material, silicon carbide, nozzle assembly sector, alloy EP648, soldering, high temperature tests.

"'Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal State Unitary Enterprise «All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials» State Research Center of the Russian Federation]; e-mail: admin@viam.ru

2Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal State Unitary Enterprise «Central Institute of Aviation Motors after P.I. Baranov» State Research Center of the Russian Federation]; e-mail: info@ciam.ru

Введение

Одним из направлений совершенствования рабочих характеристик турбин современных вертолетных двигателей является применение в их конструкции более жаростойких и легких конструкционных материалов, по сравнению с используемыми в настоящее время жаропрочными сплавами.

Разработка сложнопрофильных изделий на основе керамических композиционных материалов (ККМ) является сложной и нетривиальной задачей. В связи с этим актуальным представляется развитие новых технологических подходов к созданию элементов конструкции газотурбинного двигателя из ККМ, таких как неохлаждаемые сопловые лопатки. Разработкой технологий создания элементов конструкции турбин низкого и высокого давления из ККМ (роторных, статорных и сопловых лопаток, над-роторных вставок, сектора турбины высокого давления) на протяжении многих лет занимаются ведущие фирмы - производители материалов (Allied Signal, Kyocera, АО «ОНПП «Технология им. А.Г. Ромашина») и двигателестроительные организации (General Electric, Pratt & Whitney, Rolls-Royce, Solar Turbines, Honeywell, Snecma, MTU, Kawasaki, ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова» - ЦИАМ).

Разработка способов крепления элементов конструкций из керамических и металлических материалов является актуальной задачей в связи с тем, что в последнее время повышаются требования к теплонагруженным узлам двигательных установок и все больше работ проводится по получению деталей из керамических композиционных материалов. Одним из способов крепления является высокотемпературная пайка. Для пайки никелевых жаропрочных сплавов широкое распространение в авиационной промышленности получили сложнолегированные никелевые жаропрочные и никель-медь-марганцевые припои серии ВПр [1-4]. Наиболее массовое применение в промышленности получили припои, представленные в табл. 1.

Таблица 1

Припои серии ВПр разработки ФГУП «ВИАМ»_

Марка припоя Паяемые материалы Температура, °С

пайки рабочая

ВПр1 Коррозионностойкие стали 1140-1190 600

ВПр2 Коррозионностойкие стали 1000-1070 600

ВПр4 Коррозионностойкие стали 1050-1080 600

ВПр7 Коррозионностойкие стали 1160-1180 600

ВПр11-40Н Сплавы типа ЖС6, ВЖ98, ЭИ868, ЭИ867, ЭИ435 1080-1120 800

ВПр24 Сплавы типа ЖС6У, ВЖЛ12 1200-1240 1050

ВПр27 Сплавы типа ЖС6У, ВЖЛ12, ВЖЛ14 1150-1200 1000

ВПр36 Никелевые жаропрочные сплавы типа ЖС26 1250-1280 1150

ВПр37 Никелевые жаропрочные сплавы типа ВКНА 1280-1290 1200

ВПр42 Сплавы типа ЭИ435, ВЖЛ12, ЖС6 1120-1150 1000

ВПр44 Сплавы типа ЖС32, ЖС36, ВЖМ4 1260-1280 1150

ВПр50 Коррозионностойкие стали и никелевые жаропрочные сплавы 1130-1160 1000

Высокотемпературную пайку сопровождает и ряд трудностей. Это связано как с необходимой хорошей смачиваемостью материалом припоя поверхностей соединяемых элементов конструкции, так и с ограничением зоны диффузионного взаимодействия, которая должна быть достаточной для обеспечения требуемого уровня прочностных характеристик паяного соединения. Аморфные металлические ленточные припои на основе никеля обладают уникальными физико-химическими свойствами: хорошей структурной и химической однородностью, равнотолщинностью, пластичностью. Состав припоя должен обеспечивать необходимый уровень смачиваемости и растекаемо-сти, а также низкую эрозионную активность по отношению к основному материалу.

Керамические материалы и композиты на их основе в свою очередь не имеют альтернативы в условиях длительного воздействия температуры в окислительной среде

(>1200 °С), обладают высокой эрозионной стойкостью, что делает их перспективными для применения при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей [5-18].

Целями данной работы являются исследование взаимодействия ККМ системы SiC-SiCw-B4C-AlN со сплавом ЭП648 в процессе высокотемпературной пайки, изготовление экспериментального конструктивно-подобного образца сектора соплового аппарата из прототипов неохлаждаемой сопловой лопатки из ККМ и проведение его испытаний при температуре 1500 °С.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 14.1. «Конструкционные керамические композиционные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [19].

Материалы и методы

Прототипы неохлаждаемой сопловой лопатки турбины изготавливали из ККМ системы SiC-SiCw-B4C-AlN методом искрового плазменного спекания [20].

В качестве исходных компонентов для создания прототипов неохлаждаемой сопловой лопатки из ККМ использовали карбид кремния марки F1200, в качестве армирующих наполнителей - вискеры карбида кремния SiCw (ООО НПП «Викинг»), нитрид алюминия AlN с размером частиц 150-200 нм (фирма «Плазмотерм») и карбид бора B4C. Фракционный состав порошков оценивали с помощью лазерного анализатора размера частиц Analysette 22 (фирма Fritsch, Германия).

Подготовку шихты ККМ для прототипов проводили путем перемешивания компонентов в стеклянных стаканах в среде изопропилового спирта с использованием магнитной мешалки и ультразвукового диспергирования. Полученную суспензию сушили в сушильном шкафу при температуре 100 °С.

Подготовленную шихту помещали в графитовую пресс-форму и проводили спекание экспериментальных образцов ККМ на установке гибридного искрового плазменного спекания в токе аргона с заданной скоростью нагрева. Температура спекания прототипа составляла 1800-1900 °С. Изменение температуры графитовой пресс-формы и прессуемого образца фиксировали с помощью двух пирометров марки IGA6.

Метод искрового плазменного спекания (ИПС, SPS) - это технология, использующая одноосное прессование и импульс постоянного тока под низким давлением для обеспечения высокой скорости консолидации порошка. Данная технология служит для консолидации широкого спектра материалов - от полимерных материалов до тугоплавких соединений с температурой плавления >3000 °С. В основе метода лежит процесс, при котором импульсный электрический ток пропускается непосредственно через заготовку, благодаря чему достигаются высокие скорости нагрева/охлаждения (до 600 °С/мин) и малая продолжительность рабочего цикла. Прямое пропускание электрического тока позволяет уменьшить рост зерна, активируя диффузные механизмы спекания и позволяя сохранять в полученных изделиях первоначальные свойства порошков, а также предотвратить фазовые превращения [21-32].

Исследование паяных соединений проводили с помощью оптического микроскопа типа МБС-10.

Установка для проведения испытаний экспериментального конструктивно-подобного образца сектора соплового аппарата на стенде Ц-16ВК Научно-испытательного центра ЦИАМ представлена на рис. 1. Основным элементом установки является многокомпонентное фронтовое устройство, которое позволяет создавать достаточно равномерный высокотемпературный газовый поток в области испытываемых образцов. Диаметр факела на выходе из фронтового устройства составляет 155 мм, расстояние до экспериментального конструктивно-подобного образца 150-200 мм.

Вода (выход)

Водоохлаждаемая оснастка Объект испытаний (прототипы

неохлаждаемых сопловых лопаток турбины)

Высокотемпературный поток газа

Вода (вход)

ИИ

Ф155

Метан

Фронтовое устройство

Воздух, обогащенный кислородом

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для испытаний прототипа неохлаждаемой сопловой лопатки турбины из ККМ

В процессе испытаний во фронтовое устройство осуществляется подача метана, воздуха и кислорода. Продукты сгорания метана и кислорода обеспечивают нагрев воздуха до температуры 1500 °С.

Проведение измерений и регистрация параметров стенда и экспериментального объекта осуществляются автоматизированной информационно-измерительной системой (АИИС) стенда, а воспроизведение заданных режимов испытаний - автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУТП). Подготовка АИИС и АСУТП стенда включает: подбор датчиков по диапазону и точности, их установку в стендовую систему измерения на соответствующие места, подготовку информационного фонда согласно карте препарировки, градуировку измерительных каналов в составе с датчиками давлений, подготовку программы управления для АСУТП, реализующей необходимую циклограмму работы стенда и экспериментальной установки.

Подготовка запорно-регулирующей арматуры включает: подачу питания на пульт управления и системы регулирования, проверку срабатывания ЗРА и систем регулирования, прогон тестовой циклограммы с пульта управления.

Перед испытаниями проведены технологические пуски для отработки циклограммы запуска генератора газового потока, в качестве технологического образца использовали керамическую пластину. Зарегистрированный нагрев пластины в области воздействия высокотемпературного газового потока показал, что поток на выходе из фронтового устройства достаточно равномерный. Распределение температуры на поверхности образца регистрировали тепловизором.

Результаты и обсуждение

Для крепления прототипов неохлаждаемой сопловой лопатки из ККМ в полках из сплава ЭП648 опробована технология высокотемпературной пайки. Максимальная температура технологических нагревов для данного сплава составляет 1200 °С. Рабочая температура паяных соединений с учетом охлаждения полок блока сопловых лопаток должна быть не менее 800 °С.

Для проведения исследований выбраны припои ВПр4, ВПр11-40Н, ВПр50, ВПр27. Композиционный керамический материал для прототипа неохлаждаемой сопловой лопатки турбины на основе системы ЗЮ-ЗЮ^-Б4С-АШ содержит в своем составе значительное количество карбида кремния ЗЮ. При взаимодействии расплава никелевого припоя с ККМ карбид кремния может разлагаться на Si и С, которые растворяются в расплаве припоя. В результате такого взаимодействия температура плавления (а соответственно, жидкотекучесть и эрозионная активность припоев) может значительно возрастать. Поэтому с целью выбора наиболее оптимального припоя провели серию экспериментов по оценке взаимодействия серийных припоев с ККМ. Для этого на подложку из сплава ЭП648 устанавливали образец ККМ, вблизи паяемого зазора укладывали навеску исследуемого припоя и производили пайку по рекомендованным режимам. Внешний вид образцов после пайки представлен на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид образцов из сплава ЭП648 с ККМ системы 81С-81СИ,-Б4С-АШ после пайки различными припоями со стороны входной галтели: а - ВПр4; б - ВПр11-40Н; в - ВПр50; г - ВПр27

Описание внешнего вида припоев после пайки ККМ системы ЗЮ-ЗЮ^-Б4С-АШ со сплавом марки ЭП648:

ВПр4

ВПр11-40Н

ВПр50

ВПр27

Галтель неровная, вблизи ККМ виден «подрез», поверхность припоя шероховатая, на ККМ следов эрозии визуально не наблюдается, на пластине сплава марки ЭП648 по периметру образца наблюдается сквозная эрозия со стороны выходной галтели, по всему периметру образца ККМ на границе с паяным швом видна трещина

Галтель по всему периметру ровная, гладкая, с радиусом —(1—1,5) мм, на ККМ следов эрозии визуально не наблюдается, по всему периметру образца ККМ на границе с паяным швом видна трещина

Галтель по всему периметру ровная, гладкая, с радиусом —(1-2,0) мм, на ККМ следов эрозии визуально не наблюдается, по всему периметру образца ККМ на границе с паяным швом видна трещина

Галтель неровная, гладкая, вблизи ККМ со стороны входной галтели виден «подрез», выходная галтель ровная, с малым радиусом (<0,5 мм), на ККМ следов эрозии визуально не наблюдается, по всему периметру образца ККМ на границе с паяным швом видна трещина, на пластине сплава марки ЭП648 со стороны выходной галтели наблюдается точечная сквозная эрозия

По результатам визуального осмотра все образцы после пайки имеют трещину на ККМ, расположенную по границе с зоной облуживания или отступающую от нее на небольшое расстояние (<1 мм). Подложка из сплава ЭП648 выгнута в сторону образца ККМ. По-видимому, это связано со значительной разницей температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) ККМ системы ЗЮ-ЗЮ^-Б4С-АШ и сплава ЭП648. Температурный коэффициент линейного расширения сплава ЭП648 составляет

(10,1-17,1)-10~6 К-1, а ТКЛР для ККМ системы SiC-SiCw-B4C-AlN равен (5,3-5,4>10-6 К-1 -соответственно, ТКЛР сплава ЭП648 отличается от ТКЛР рассматриваемой системы в 2-3 раза.

Кроме того, видно, что припои ВПр4 и ВПр27 показывают очень сильную нехарактерную для них эрозионную активность по отношению к сплаву ЭП648 (достигающую 500 мкм). Скорее всего, это вызвано взаимодействием припоев с карбидом кремния SiC, содержащимся в ККМ. Величина эрозионной активности припоя определялась по величине слоя основного материала, растворенного припоем в процессе пайки. Опробованные в работе припои обычно показывают невысокую эрозионную активность по отношению к сплаву ЭП648 - на уровне 30-80 мкм.

Проведено исследование микроструктуры паяных соединений, выполненных различными припоями. Для этого паяные образцы ККМ разрезали по плоскости, проходящей от центра входной галтели до центра выходной. Микроструктуры паяных соединений приведены на рис. 3-6, а характеристики взаимодействия припоев с ККМ системы $Ю^Ю^-В4С-АШ и сплавом ЭП648 - в табл. 2.

Рис. 3. Микроструктура паяного соединения сплава ЭП648 с ККМ системы 8Ю^С„,-В4С-АШ, выполненная припоем ВПр4:

а - входная галтель (х100); б - середина паяного шва (х200); в - выходная галтель (х50)

Рис. 4. Микроструктура (х200) паяного соединения сплава ЭП648 с ККМ системы SiC-SiCи,-B4C-AlN, выполненная припоем ВПр11-40Н:

а - входная галтель; б - середина паяного шва; в - выходная галтель

Рис. 5. Микроструктура (х200) паяного соединения сплава ЭП648 с ККМ системы SiC-SiCи,-B4C-AlN, выполненная припоем ВПр50:

а - входная галтель; б - середина паяного шва; в - выходная галтель

Рис. 6. Микроструктура (*100) паяного соединения сплава ЭП648 с ККМ системы БЮ-БЮи-В^-АВД, выполненная припоем ВПр27:

а - входная галтель; б - выходная галтель

Таблица 2

Характеристики взаимодействия припоев с ККМ

системы §1С-81Си-В4С-А^ и сплавом ЭП648_

Место взаимодействия припоя с материалом Эрозия, мкм, при использовании припоя марки

ВПр4 ВПр11-40Н ВПр50 ВПр27

Для сплава ЭП648

Вблизи входной галтели 290 345 50 310

В середине паяного шва 77 50 70 50

Вблизи выходной галтели 380 90 90 100

Для ЕСКМ* системы ЗЮ-БЮ^С-АШ

Вблизи входной галтели 420 340 50 280

В середине паяного шва 60 50 65 50

Вблизи выходной галтели 370 50 50 50

* С проникновением.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Как видно из приведенных данных, припой марки ВПр50 обладает наиболее низкой эрозионной активностью как по отношению к сплаву ЭП648, так и по отношению к ККМ системы ЗЮ-81С^-В4С-АШ. Это свидетельствует о минимальном взаимодействии припоя с ККМ.

Немаловажными факторами, влияющими на качество паяного соединения, особенно при пайке разнородных материалов с разными ТКЛР, являются конструкция паяного соединения и способ питания припоем. Как известно, керамические материалы обладают прочностью при сжатии, значительно превосходящей прочность при растяжении и изгибе. Поэтому для снижения вероятности образования трещин деталь из ККМ в зоне паяного соединения должна испытывать преимущественно сжимающие напряжения. Применительно к блоку сопловых лопаток выбрана конструкция паяного соединения, при которой перо лопатки фиксируется в глухой полости полки из сплава ЭП648. Так как ТКЛР сплава ЭП648 больше, чем у ККМ системы ЗЮ-81С^-В4С-А1К, то после охлаждения паяного соединения перо лопатки из ККМ будет испытывать сжимающие напряжения со стороны полки из сплава ЭП648 в месте заделки.

Для выбора исследования влияния способа питания припоем изготовлены образцы, имитирующие вышеописанную конструкцию, на которых опробованы три способа питания припоем:

- односторонняя укладка припоя на поверхность сплава ЭП648 в непосредственной близости от ККМ;

- укладка припоя на поверхность сплава ЭП648 в непосредственной близости от ККМ с обеих сторон;

- укладка припоя в сквозное отверстие в детали из ЭП648, заканчивающееся на торцевой поверхности детали из ККМ.

Внешний вид образцов после пайки представлен на рис. 7.

Рис. 7. Внешний вид образцов из сплава ЭП648 с ККМ после пайки с различными способами питания припоем:

а - одностороннее питание; б - двухстороннее питание; в - питание через отверстие

Как видно из приведенных фотографий, только один способ питания (через отверстие) обеспечивает формирование паяного соединения без разрушения целостности ККМ. По-видимому, это связано с более равномерным распределением напряжений в паяном соединении и исключением «подреза» из-за эрозии ККМ, наиболее сильно проявляющейся со стороны входной галтели.

Совместно с АО «ОДК-Климов» разработана конструкция и изготовлен экспериментальный конструктивно-подобный образец сектора соплового аппарата из прототипов неохлаждаемой сопловой лопатки турбины из ККМ системы 81С-81С^-В4С-А1К и полок из сплава ЭП648 (рис. 8).

Рис. 8. Прототип неохлаждаемой сопловой лопатки турбины из ККМ (а) и экспериментальный конструктивно-подобный образец сектора соплового аппарата (б)

Во ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» проведены испытания прототипа неохла-ждаемой сопловой лопатки турбины из керамического композиционного материала в составе экспериментального конструктивно-подобного образца сектора соплового аппарата при температуре 1500 °С.

Для установки экспериментального конструктивно-подобного образца сектора соплового аппарата на стенде изготовлена водоохлаждаемая оснастка, представляющая собой два канала в виде трубок, через которые протекает вода. Схема установки данного образца показана на рис. 9. В результате контакта экспериментального конструктивно-подобного образца сектора соплового аппарата с водоохлаждаемыми трубками оснастки происходит его охлаждение до допустимого уровня температур (<800 °С).

Водоохлаждаемая оснастка)

Вода (выход)

Технологическая подпорка

Конструктивно-подобный образец сектора соплового аппарата

Прототип неохлаждаемой сопловой лопатки турбины)

Направление высокотемпературного потока газа)

Вода (вход)

Рис. 9. Оснастка для установки экспериментального конструктивно-подобного образца сектора соплового аппарата на стенде

Высокотемпературные испытания проводили в два этапа:

- термоциклические испытания (30 циклов) по режиму: нагрев до температуры 1500 °С (погрешность измерения температуры +1%), выдержка при данной температуре 3 мин, охлаждение на воздухе не менее 15 мин, длительность одного цикла ~20 мин;

- ресурсные испытания (оценка жаростойкости) по режиму: нагрев до температуры 1500 °С, выдержка при данной температуре 180 мин, охлаждение на воздухе.

В процессе испытаний осуществлялся плавный нагрев прототипов сопловой лопатки турбины из ККМ, температура на поверхности которых составила 1500 °С, а максимальная зарегистрированная температура 1560 °С. При этом зарегистрирован следующий расход газов: 1,9-2,02 г/с - метана; 9,6-9,8 г/с - воздуха; 10,1-10,5 г/с -кислорода. На рис. 10 представлен экспериментальный конструктивно-подобный образец во время и после испытаний.

Рис. 10. Экспериментальный конструктивно-подобный образец соплового аппарата на стенде: а - во время испытаний; б - после испытаний

По результатам исследований установлено, что прототипы сопловой лопатки турбины из ККМ характеризуются высокими термостойкостью и жаростойкостью. Прототипы сопловой лопатки турбины выдержали без разрушения, растрескивания и изменения геометрических размеров 30 циклов по описанному режиму термоциклирования

и 180 мин при температуре 1500 °С в продуктах сгорания топлива. Следов уноса материала с поверхности не обнаружено.

Проведена оценка эффективности применения керамического композиционного материала в конструкции соплового аппарата турбины перспективного вертолетного двигателя. Результаты проведенных экспериментальных исследований позволяют сделать вывод о том, что разработанный ККМ может быть применен в конструкции соплового аппарата турбины перспективного вертолетного двигателя - это может повысить характеристики двигателя за счет повышения температуры газа в камере сгорания до 1500 °С.

Заключения

Опробована технология высокотемпературной пайки ККМ со сплавом ЭП648 с применением сложнолегированных никелевых жаропрочных и никель-медь-марганцевых припоев типа ВПр. Для крепления прототипов неохлаждаемой сопловой лопатки турбины из ККМ в составе экспериментального конструктивно-подобного образца сектора соплового аппарата выбран припой ВПр50 из-за его наиболее низкой эрозионной активности как по отношению к сплаву ЭП648, так и к ККМ системы SiC-SiQ^C-AlN.

Прототипы неохлаждаемой сопловой лопатки турбины из ККМ в составе экспериментального конструктивно-подобного образца сектора соплового аппарата выдержали высокотемпературные испытания на термостойкость и жаростойкость по заданным режимам без изменения геометрических размеров, растрескивания и уноса материала с поверхности при температуре испытаний 1500 °С. Максимальная температура, зарегистрированная на поверхности неохлаждаемой сопловой лопатки, составила 1560 °С.

Полученные результаты испытаний свидетельствуют о высокой работоспособности разработанного ККМ для неохлаждаемых сопловых лопаток турбины при температурах до 1500 °С.

Благодарность

Авторы выражают благодарность сотрудникам АО «ОДК-Климов» С.Н. Малыгину и Н.А. Шаровой за разработку конструкции экспериментального конструктивно -подобного образца сектора соплового аппарата, ценные консультации и обсуждение результатов работы.

Библиографический список

1. Лукин В.И., Рыльников В.С., Афанасьев-Ходыкин А.Н. Припои на никелевой основе для пайки жаропрочных сплавов и сталей // Сварочное производство. 2014. №7. С. 36-42.

2. Ефимочкин И.Ю., Федотов С.В., Рыльников В.С., Афанасьев-Ходыкин А.Н. Высокотемпературные припои, полученные методом механического легирования // Сварочное производство. 2015. №3. С. 25-28.

3. Оспенникова О.Г., Лукин В.И., Афанасьев-Ходыкин А.Н., Галушка И.А., Шевченко О.В. Перспективные разработки в области высокотемпературной пайки жаропрочных сплавов // Авиационные материалы и технологии. 2017. №S. С. 144-158. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-144-158.

4. Каблов Е.Н., Фоломейкин Ю.И., Столярова В.Л., Лопатин С.И. Процессы взаимодействия ниобий-кремниевого расплава с огнеупорной керамикой // Журнал общей химии. 2016. Т. 86. №9. С. 1542-1546.

5. Евдокимов С.А., Щеголева Н.Е., Сорокин О.Ю. Керамические материалы в авиационном двигателестроении (обзор) // Труды ВИАМ: электрон. науч.-техн. журн. 2018. №12 (72). Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 09.01.2020). DOI: 10.18577/23076046-2018-0-12-54-61.

6. Krenkel W., Bemdt F. C/C-SiC composites for space applications and advanced friction systems // Materials Science and Engineering A. 2005. Vol. 412. No. 1-2. Р. 177-181.

7. Jacobson N.S. Corrosion of silicon-based ceramics in combustion environments // Journal of European Ceramic Society. 1993. Vol. 76. Р. 3-28.

8. Van Roode M., Price J., Miriyala N., Leroux D. Ceramic matrix composite combustor liners: A summary of field evaluations // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2007. Vol. 129. No. 1. P. 21-30.

9. Choi S.R., Bansal N.P. Shear Strength as a Function of Test Rate for SiC/BSAS Ceramic Matrix Composite at Elevated Temperature // Journal of American Ceramic Society. 2004. Vol. 87. No. 10. P. 1912-1918.

10. Kablov E.N., Grashchenkov D.V., Isaeva N.V., Solntsev S.St. Perspective high-temperature ceramic composite materials // Russian Journal of General Chemistry. 2011. Vol. 81. No. 5. P. 986-991.

11. Ceramic matrix composite and method of manufacturing the same: pat. US 5990025 А; filed 28.03.97; publ. 23.11.99.

12. Naslain R.R. Design, preparation and properties of non-oxide CMCs for application in engines and nuclear reactors: an overview // Composites Science and Technology. 2004. Vol. 64. P. 155-170.

13. Каримбаев Т.Д., Мезенцев М.А., Ежов А.Ю. Разработка и экспериментальные исследования неметаллических деталей и узлов горячей части перспективного газотурбинного двигателя // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2015. Т. 14. №3-1. С.128-138.

14. Corman G. Melt infiltrated ceramic matrix composites for shrouds and combustor liners of advanced industrial gas turbines: Final Report. New York, 2010. 503 p.

15. Corman G. Melt infiltrated composites (HIPERCOMP) for gas turbine engine applications. New York, 2005. 499 p.

16. Corman G., Upadhyay R., Sinha S. et al. General Electric company: selected applications of ceramics and composite materials // Materials Research for Manufacturing. 2016. P. 59-91.

17. Shaoming D. Preparation of SiC/SiC composites by hot pressing, using Tyranno-SA fiber as reinforcement // Journal of American Ceramic Society. 2003. Vol. 86. No. 1. P. 26-32.

18. Kablov E.N., Karachevtsev F.N., Stolyarova V.L., Vorozhtcov V.A., Lopatin S.I. Vaporization and thermodynamics of ceramicsin the Y2O3-ZrO2-HfO2 system // Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2019. Vol. 33. No. 19. P. 1537-1546.

19. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33. DOI: 10.18577/2071-91402015-0-1-3-33.

20. Керамический композиционный материал: пат. 2689947 Рос. Федерация; заявл. 25.04.18; опубл. 29.05.19.

21. Торресильяс С.М.Р., Солис П.Н.В., Окунькова А.А., Перетягин П.Ю. Основы процесса искрового плазменного спекания нанопорошков. М.: Техносфера, 2014. 96 с.

22. Хасанов А.О. Разработка составов и технологии спарк-плазменного спекания керамических материалов, композитов на основе микро- и нанопорошков B4C: дис. ... канд. техн. наук. Томск, 2015. 201 с.

23. Chuvildeev V.N., Boldin M.S., Nokhrin A.V. et al. Structure and properties of advanced materials obtained by Spark Plasma Sintering // Acta Astronautica. 2015. Vol. 109. P. 172-176.

24. Chuvildeev V.N., Boldin M.S., Dyatlova Ya.G. et al. Comparative study of hot pressing and highspeed electropulse plasma sintering of Al2O3/ZrO2/Ti(C, N) powders // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2015. Vol. 60. No. 8. P. 987-993.

25. Авраменко В.А., Папынов Е.К., Шичалин О.О. и др. Искровое плазменное спекание как инновационный подход в создании наноструктурированных керамик нового поколения // Наноматериалы и технологии: сб. тр. VI Междунар. конф. «Наноматериалы и технологии», V Междунар. конф. по материаловедению и II Междунар. конф. по функциональным материалам. Улан-Удэ, 2016. С. 82-90.

26. Баринов В.Ю., Рогачев А.С., Вадченко С.Г., Московских Д.О., Колобов Ю.Р. Искровое плазменное спекание изделий сложной формы с использованием квазиизостатического прессования // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2016. №1-3. С. 312-315.

27. Ваганова М.Л., Сорокин О.Ю., Осин И.В. Соединение керамических материалов методом искрового плазменного спекания // Авиационные материалы и технологии. 2017. №S. С. 306-317. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-306-317.

28. Батиенков Р.В., Ефимочкин И.Ю., Худнев А.А. Исследование удельного электрического сопротивления порошковых Mo-W сплавов, полученных методом искрового плазменного спекания // Труды ВИАМ: электрон. науч.-техн. журн. 2019. №7 (79). Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 09.01.2020). DOI: 10.18577/2307-6046-2019-07-50-58.

29. Сорокин О.Ю., Солнцев С.Ст., Евдокимов С.А., Осин И.В. Метод гибридного искрового плазменного спекания: принцип, возможности, перспективы применения // Авиационные материалы и технологии. 2014. №S6. С. 11-16. DOI: 10.18577/2071-9140-2014-0-s6-11-16.

30. Noviyaanto A. Characteristics of SiCf/SiC hybrid composites fabricated by hot pressing and spark plasma sintering // Advances in Applied Ceramics. 2011. Vol. 110. No. 7. P. 375-382.

31. Болдин М.С., Сахаров Н.В., Шотин С.В. и др. Композиционные керамики на основе оксида алюминия, полученные методом электроимпульсного плазменного спекания для трибологических применений // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2012. №6 (1). С. 32-37.

32. Sakharov K.A., Simonenko E.P., Simonenko N.P., Vaganova M.L., Lebedeva Yu.E., Chaynikova A.S., Osin I.V., Sorokin O.Yu., Grashchenkov D.V., Sevastyanov V.G., Kuznetsov N.T., Kablov E.N. Glycol-citrate synthesis of fine-grained oxides La2-xGdxZr2O7 and preparation of corresponding ceramics using FAST/SPS process // Ceramics International. 2018. Vol. 44. No. 7. P. 7647-7655.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.