CC BY
60
ВИАМ/2014-Тр-03-04
УДК 629.7.023.224
МНОГОЦЕЛЕВОЕ СТЕКЛОЭМАЛЕВОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЛИТЫХ ФАСОННЫХ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
С. Ст. Солнцев
В. В. Швагирева кандидат технических наук
Н.В. Исаева
Г.А. Соловьева
Март 2014
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ) - крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационно-космической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья подготовлена для опубликования в журнале «Труды ВИАМ», №3, 2014 г.
УДК 629.7.023.224
С.Ст. Солнцев, В.В. Швагирева, Н.В. Исаева, Г.А. Соловьева
МНОГОЦЕЛЕВОЕ СТЕКЛОЭМАЛЕВОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЛИТЫХ ФАСОННЫХ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Содержатся сведения о составе, свойствах, назначении, эффективности стеклоэмалевого покрытия для защиты литых фасонных деталей горячего тракта ГТД из железоникелевых сплавов от высокотемпературной газовой коррозии.
Покрытие сохраняет высокую термостойкость, жаростойкость, прочность сцепления как в процессе многостадийной термообработки: закалка при температуре 1120°С, в течение 3 ч, старение при 750°С, 15 ч, так и при эксплуатации при температуре от 700 до 900°С, что обеспечивает снижение окисляемости сплавов в 25-30 раз.
Ключевые слова: стеклоэмалевое покрытие, железоникелевые сплавы, высокотемпературная газовая коррозия, защита, термостойкость, жаростойкость.
S.St. Solncev, V.V. Shvagireva, N.V. Isaeva, G.A. Solovyeva
MULTIPURPOSE GLASS-ENAMEL COATING FOR PROTECTION OF CAST PARTS OF GAS TURBINE ENGINES
Contains information about the composition, properties, purpose, effectiveness glass-enamel coating for protection of cast parts hot tract of gas turbine engines of iron-nickel alloys, from high-temperature gas corrosion.
The coating retains its high temperature resistance, head-resistance, durability of coupling in the process of multistage heat treatment: hardening at temperature 1120°C - 3 hours, aging at 750°C - 15 hours, and during operation at temperature of 700 to 900°C, which reduces the oxidation of alloys in 25-30 times.
Key words: glass-enamel coating, iron-nickel alloys, high-temperature gas corrosion, protection, thermal stability, heat resistance.
Жаростойкие эмалевые покрытия для защиты деталей горячего тракта газотурбинных двигателей из жаропрочных никелевых, высокохромистых и железоникелевых сплавов занимают особое место в обеспечении работоспособности, ресурса и надежности изделий авиационной техники. Покрытия регламентируют окисление поверхности
металлов и являются барьером на пути компонентов агрессивной газовой среды и продуктов сгорания топлива. Высокотемпературные защитно-технологические, ресурсные покрытия находят широкое применение в промышленности для защиты от окисления и обезуглероживания узлов и деталей из металлов и сплавов при термомеханических обработках, от высокотемпературной газовой коррозии - при ресурсных применениях, что обеспечит ресурс и надежность изделий авиационно-космической техники в 1,5-2 раза [1-3].
Дальнейшее развитие работ по жаростойким эмалевым покрытиям определяется повышением уровня рабочих параметров жаропрочных сплавов и обеспечением работоспособности двигателей современных и перспективных авиационных ГТД [4-6]. Основные направления базовой технологии получения составов тугоплавких жаростойких эмалевых покрытий для коррозионностойких сталей и жаропрочных сплавов основаны на принципах синтеза поликристаллических стекломатериалов с использованием модифицирующих оксидов, тугоплавких соединений и эффекта реакционного отверждения [7, 8].
В настоящее время для защиты деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов от высокотемпературной газовой коррозии при температурах до 1000°С серийно применяются эмалевые (стеклокристаллические, реакционноотверждаемые) покрытия на основе тугоплавких стеклофритт.
С целью экономии дорогостоящих и дефицитных компонентов жаропрочных сплавов на никелевой основе для литья фасонных деталей газотурбинных двигателей применяются жаропрочные литейные свариваемые сплавы на железоникелевой основе типа ВЖЛ-19, которые, обеспечивая необходимый уровень прочностных характеристик, обладают недостаточной стойкостью к высокотемпературной газовой коррозии, что приводит не только к безвозвратным потерям металла, но также к снижению механических характеристик сплавов. Сплавы обладают достаточно высоким уровнем жаропрочности при температурах от 700 до 900°С и являются конкурентоспособными сплавам на никелевой основе, однако их склонность к активному окислению требует применения защитных покрытий [9, 10].
Отличительной особенностью стеклоэмалевого покрытия для сплава типа ВЖЛ-19 является его многоцелевое назначение, а именно, способность сохранять высокие защитные характеристики как в процессе многостадийной термообработки (закалка при 1120°С в течение 3 ч; старение при 750°С, 15 ч), так и длительной эксплуатации при температурах от 700 до 900°С. Кроме того, учитывая, что фасонные литые де-
тали, как правило, разнотолщинные, сложной конфигурации, одним из требований, предъявляемым к покрытию для данного вида сплавов, являются сравнительно низкая температура формирования, не превышающая 1120°С, и широкий температурный интервал размягчения [11].
Относительно низкая температура формирования покрытия, при которой происходит его оплавление и образование защитной пленки, определяется процессами, происходящими при окислении сплава при нагревах, что напрямую связано с прочностью сцепления покрытия и сплава [12-14]. Прочность сцепления покрытий зависит от окис-ляемости сплава, состава и свойств образующейся окалины и особенности взаимодействия ее с покрытием. В процессе нагрева сплава ВЖЛ-19 при температурах от 700 до 900°С образуется рыхлый слой окалины, фазовый состав которой представляет совокупность оксида железа и легирующих элементов: (Бе№)0, (СгБе)203 и др. Окисляе-мость сплава ускоряется в связи с возможностью образования трехоксида молибдена (Мо03) и его взаимодействием с компонентами сплава.
В процессе создания покрытия для сплавов типа ВЖЛ-19 исследовалась возможность обеспечения высоких защитных характеристик покрытия путем сочетания процессов катализированной кристаллизации, введения жаростойкого наполнителя и взаимодействия фритт различной тугоплавкости. Возможность получения таких покрытий заложена в физико-химической природе стеклообразного состояния покрытий, в котором процессы плавления и затвердевания происходят постепенно в широком температурном интервале [15, 16]. Разработка многоцелевого покрытия проводилась на основе композиций фритт систем: 8Ю2-Л1203-Ба0, 8Ю2-Л1203-Б203 с различной температурой размягчения - от 600 до 700°С, а также помольных добавок, что позволяет обеспечить высокие защитные свойства в широком температурно-временном интервале. Механизм формирования и защитного действия многоцелевого покрытия определяется его составом. Наиболее активно процессы химического взаимодействия протекают в покрытиях на стадии длительной термообработки железоникелевых сплавов при температуре 1120°С. При этой температуре формируется сплошное покрытие, находящееся в вязкотекучем состоянии. Формирование покрытия обеспечивается плавлением легкоплавкой фритты системы Б102-Л1203-Б203. Высокие защитные характеристики многоцелевого покрытия на стадии термообработки при температурах от 1100 до 1120°С и последующей эксплуатации при температурах от 700 до 750°С обусловлены следующими факторами:
- активным взаимодействием легкоплавкой фритты 8іО2-А12О3-В2О3 с тугоплавкой фриттой 8іО2-А12О3-ВаО, которое приводит к усреднению распределения тугоплавких фаз в структуре покрытия, удалению пор, гомогенизации покрытия;
- высокосплошной микрогетерогенной структурой, основу которой составляют стеклообразная аморфная матрица с равномерно распределенными в ней частицами оксида хрома, а также силикатов алюминия и бария. Следует отметить, что фазовая стабильность многоцелевого покрытия сохраняется постоянной как в процессе длительной термообработки, так и при эксплуатации (табл. 1).
Таблица 1
Результаты рентгенофазового анализа покрытия__________________________
Режим термообработки Обнаруженные фазы
Основные Сопутствующие Следы
1120°С,3ч СГ2О3 А128іО5 СЮ3
1120°С, 3 ч+700°С, 100 ч+750°С, 16 ч СГ2О3 А^іО5, ВаАЬ82О8 СЮ3
1120°С, 5 мин+700°С, 100 ч СГ2О3 А^іО5, ВаАЬ82О8 СЮ3
Очевидно, что микрогетерогенность покрытия обусловлена присутствием в его составе кристаллических фаз, а также наличием частиц тугоплавкой фритты 8Ю2-Л1203-Ба0 в стеклообразной аморфной матрице. Наличие частиц тугоплавкой фритты позволяет предположить, что временной интервал сохранения защитных функций имеет две стадии. Первая стадия обусловлена взаимодействием двух фритт, причем при полном усреднении состава стеклообразной аморфной матрицы ее защитные функции достигают своего пика и стабилизируются. Далее наступает вторая стадия, когда защитные свойства покрытия определяются в полной мере процессами кристаллизации и агрегации кристаллических фаз [17].
Эффективность защитного действия многоцелевого эмалевого покрытия подтверждена данными по изучению кинетики окисления сплава, а также металлографическими исследованиями. Установлено, что окисляемость сплавов с покрытием при температурах испытания 1120 и 700°С снижается в 25-30 раз (рис. 1). Применение покрытия полностью исключает окисление и обезлегирование сплава, в то время как глубина обедненного легирующими элементами слоя сплава без защиты составляет 120 мкм (рис. 2). Кроме того, эффективность применения покрытия подтверждена испытаниями механических свойств сплава: ударная вязкость сплава с покрытием после термообработки составляет 70 Дж/см2, в то время как у сплава без покрытия это значение: 50 Дж/см2.
Рисунок 1. Кинетика окисления железоникелевого сплава при температурах 700 (а) и 1120°С
(б) без покрытия (□) и с покрытием (■)
Рисунок 2. Микроструктура железоникелевого сплава без покрытия (а) и с покрытием (б), термообработанного по режиму: 1120°С, 3 ч+700°С, 100 ч и состаренного при 750°С в течение 16 ч
Исследованы термостойкость и жаростойкость многоцелевого эмалевого покрытия на железоникелевом сплаве. Критерий оценки термостойкости - наличие дефектов в покрытии: отслоения, уколы, сколы до металла, выгорание эмалевого покрытия и др. Получены положительные результаты при испытаниях покрытия по режиму: нагрев образцов с покрытием при температурах от 700 до 900°С в течение 5 мин с последующим охлаждением на воздухе, количество циклов: 500 при 700^20°С, 250 при 900^20°С. Жаростойкость эмалевого покрытия оценивали по изменению массы образцов при нагреве при температурах от 700 до 900°С в течение 100 ч. Результаты исследований представлены в табл. 2.
Таблица 2
Защитные характеристики многоцелевого эмалевого покрытия____________________
Материал Жаростойкость Термостойкость
подложки Температура испытания, °С Привес*, г/(м2ч) Режим испытания, °С Количество циклов
Железоникелевый сплав 700 0,06/0,003 700^20 500
900 0,18/0,024 900^20 250
*В числителе - без покрытия, в знаменателе - с покрытием.
В результате проведенных исследований разработано многоцелевое стеклоэмалевое покрытие типа ЭВК-127 для защиты от высокотемпературной газовой коррозии литых фасонных деталей из сплава на железоникелевой основе как в процессе длительной эксплуатации при температурах от 700 до 900°С, так и при термообработке по режиму: 1120°С, 3 ч+старение при 750°С в течение 16 ч. Покрытие применяется для деталей из сплавов, температура нагрева которых ограничена либо режимом термической обработки сплава, либо конструкцией детали (фасонное литье, тонкостенные, крупногабаритные изделия).
Применение многоцелевого стеклоэмалевого покрытия ЭВК-127 снижает окисляе-мость железоникелевых сплавов при температурах 1120 и 700°С в 25-30 раз.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
2. Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 19-36.
3. Солнцев С.С. Высокотемпературные стеклокерамические материалы и покрытия -перспективное направление авиационного материаловедения //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2009. №1. С. 26-37.
4. Каблов Е.Н., Гращенков Д.В., Исаева Н.В., Солнцев С.С. Перспективные высокотемпературные керамические композиционные материалы //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С 20-24.
5. Ваганова М.Л., Щеголева Н.Е., Гращенков Д.В. Перспективы развития высокотемпературных керамических композиционных материалов //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2013. №5. С. 8-14.
6. Солнцев С.С., Исаева Н.В., Швагирева В.В., Максимов В.И. Высокотемпературные покрытия для защиты сплавов и углеродкерамических композиционных материалов от окисления //Конверсия в машиностроении. 2004. №4. С. 77-81.
7. Солнцев С.С., Исаева Н.В., Швагирева В.В., Соловьева Г.А. Жаростойкие эмалевые покрытия для защиты коррозионностойких сталей и жаропрочных сплавов от воздействия агрессивных сред //Авиационные материалы и технологии. 2008. №1. С. 29-31.
8. Солнцев С.С., Исаева Н.В., Швагирева В.В., Соловьева Г.А. Высокотемпературные жаростойкие эмалевые покрытия для защиты от коррозионного воздействия продуктов сгорания топлива теплонагруженных элементов из коррозионностойких сталей и жаропрочных сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2008. №4. С. 16-18.
9. Каблов Е.Н., Мубояджан С. А. Жаростойкие теплозащитные покрытия для лопаток турбины высокого давления перспективных ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 60-70.
10. Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Гаямов А.М., Смирнов А.А. Получение керамических теплозащитных покрытий для рабочих лопаток турбин авиационных ГТД магнетронным методом //Авиационные материалы и технологии. 2012. №4. С. 3-8.
11. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Сидоров В.В., Ригин В.Е., Каблов Д.Е. Особенности технологии выплавки и разливки современных литейных высокожаропрочных никелевых сплавов //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. №SP2. С. 68-78.
12. Солнцев С.С., Швагирева В.В., Исаева Н.В., Соловьева Г. А. Армированные жаростойкие стеклоэмали для камер сгорания газотурбинных двигателей //Авиационные материалы и технологии. 2010. №1. С. 26-29.
13. Солнцев С.С., Розененкова В.А., Миронова Н.А., Гаврилов С.В. Керамические покрытия для защиты высокопрочной стали при термической обработке //Авиационные материалы и технологии. 2011. №4. С. 3-8.
14. Солнцев С.С. Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали. М.: Машиностроение. 1984. 255 с.
15. Химическая технология стекла и ситаллов /Под ред. Н.М. Павлушкина. М.: Стройиздат. 1983. 432 с.
16. Аппен А.А. Температуроустойчивые неорганические покрытия. М.-Л.: Химия. 1976. 107 с.
17. Солнцев С.С., Розененкова В.А., Исаева Н.В. Разработка и применение в авиакосмической технике стеклокерамических покрытий и материалов /В сб. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007. М.: ВИАМ. 2007. С. 99-107.
REFERENCES LIST
1. Kablov E.N. Strategicheskie napravlenija razvitija materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda [Strategic directions of development of materials and technologies to process them for the period up to 2030] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7-17.
2. Ospennikova O.G. Strategija razvitija zharoprochnyh splavov i stalej special'nogo naznachenija, zashhitnyh i teplozashhitnyh pokrytij [The development strategy of superalloys and special steel, protective and thermal barrier coatings] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 19-36.
3. Solncev S.S. Vysokotemperaturnye steklokeramicheskie materialy i pokrytija - perspek-tivnoe napravlenie aviacionnogo materialovedenija [High-temperature glass-ceramic materials and coatings - a promising direction aviation materials] //Vse materialy. Jenciklopedicheskij spravochnik. 2009. №1. S. 26-37.
4. Kablov E.N., Grashhenkov D.V., Isaeva N.V., Solncev S.S. Perspektivnye vysokotemperaturnye keramicheskie kompozicionnye materialy [Promising high-temperature ceramic composites] //Rossijskij himicheskij zhurnal. 2010. T. LIV. №1. S 20-24.
5. Vaganova M.L., Shhegoleva N.E., Grashhenkov D.V. Perspektivy razvitija vysokotem-peraturnyh keramicheskih kompozicionnyh materialov [Prospects for the development of high-temperature ceramic composites] //Vse materialy. Jenciklopedicheskij spravochnik. 2013. №5. S. 8-14.
6. Solncev S.S., Isaeva N.V., Shvagireva V.V., Maksimov V.I. Vysokotemperaturnye pokrytija dlja zashhity splavov i uglerodkeramicheskih kompozicionnyh materialov ot okislenija [High-temperature protective coatings for alloys and carbon-ceramic composite materials from oxidation] //Konversija v mashinostroenii. 2004. №4. S. 77-81.
7. Solncev S.S., Isaeva N.V., Shvagireva V.V., Solov'eva G.A. Zharostojkie jemalevye pokrytija dlja zashhity korrozionnostojkih stalej i zharoprochnyh splavov ot vozdejstvija agressivnyh sred [Heat-resistant enamel coatings for corrosion protection of steel and
heat resisting alloys from corrosion] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2008. №1. S. 29-31.
8. Solncev S.S., Isaeva N.V., Shvagireva V.V., Solov'eva G.A. Vysokotemperaturnye zharostojkie jemalevye pokrytija dlja zashhity ot korrozionnogo vozdejstvija produktov sgoranija topliva teplonagruzhennyh jelementov iz korrozionnostojkih stalej i zharo-prochnyh splavov [High-temperature heat-resistant enamel coatings for protection against corrosion effects of the combustion products of thermally loaded components of corrosion resistant steels and superalloys] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2008. №4. S. 16-18.
9. Kablov E.N., Mubojadzhan S.A. Zharostojkie teplozashhitnye pokrytija dlja lopatok tur-biny vysokogo davlenija perspektivnyh GTD [Heat-resistant heat-protective coatings for high-pressure turbine blades looking GTE] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 60-70.
10. Mubojadzhjan S.A., Budinovskij S.A., Gajamov A.M., Smirnov A.A. Poluchenie ke-ramicheskih teplozashhitnyh pokrytij dlja rabochih lopatok turbin aviacionnyh GTD magnetronnym metodom [Preparation of ceramic thermal barrier coatings for turbine blades of aircraft GTE magnetron sputtering] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №4. S. 3-8.
11. Kablov E.N., Ospennikova O.G., Sidorov V.V., Rigin V.E., Kablov D.E. Osobennosti tehnologii vyplavki i razlivki sovremennyh litejnyh vysokozharoprochnyh nikelevyh splavov [Technology features modern smelting and casting casting nickel-base superalloys] //Vestnik MGTU im. N.Je. Baumana. Ser. Mashinostroenie. 2011. №SP2. S. 68-78.
12. Solncev S.S., Shvagireva V.V., Isaeva N.V., Solov'eva G.A. Armirovannye zharostojkie steklojemali dlja kamer sgoranija gazoturbinnyh dvigatelej [Reinforced heat resistant vitreous for combustors of gas turbine engines] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2010. №1. S. 26-29.
13. Solncev S.S., Rozenenkova V.A., Mironova N.A., Gavrilov S.V. Keramicheskie pokrytija dlja zashhity vysokoprochnoj stali pri termicheskoj obrabotke [The ceramic coating to protect the high-strength steel during heat treatment] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2011. №4. S. 3-8.
14. Solncev S.S. Zashhitnye tehnologicheskie pokrytija i tugoplavkie jemali [Protective technological coatings and refractory enamel]. M.: Mashinostroenie. 1984. 255 s.
15. Himicheskaja tehnologija stekla i sitallov [Chemical technology of glass and ceramics] /Pod red. N.M. Pavlushkina. M.: Strojizdat. 1983. 432 s.
16. Appen A.A. Temperaturoustojchivye neorganicheskie pokrytija [Thermally stable inorganic coatings]. M.-L.: Himija. 1976. 107 s.
17. Solncev S.S., Rozenenkova V.A., Isaeva N.V. Razrabotka i primenenie v aviakosmich-eskoj tehnike steklokeramicheskih pokrytij i materialov [Development and application in aerospace engineering glass-ceramic coatings and materials] /V sb. 75 let. Aviacionnye materialy. Izbrannye trudy «VIAM» 1932-2007. M.: VIAM. 2007. S. 99-107.
