Про створення сприятливої кристалогеометрії покриттів TiN на авіаційних лопатках з титанових сплавів Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621:785.53

Канд. техн. наук Л. П. Степанова, д-р техн. наук В. Ю. Ольшанецький,

канд. техн. наук Г. В. Пухальська

Запор1зький нацюнальний технiчний унiверситет, м. Запорiжжя

ПРО СТВОРЕННЯ СПРИЯТПИВО1 КРИСТАЛОГЕОМЕТРП

ПОКРИТТ1В TIN НА АВ1АЦ1ЙНИХ ЛОПАТКАХ З ТИТАНОВИХ

СПЛАВ1В

Розглянуто способи обробки титанових лопаток (сплав ВТ8) KOMnpecopie газотурбтних aeiadeu3yme для змти структури нанесених порошкових noкpиттiв (TiN) з метою отримання сприятливо'1 кристалогеометрИ поверхневих зон, що забезпечуе суттеве niдвищeння мeханiчних властивостей та eкcnлyатацiйних характеристик юнцевих виpoбiв.

Ключовi слова: титановий сплав, методи обробки, адгeзiя, кpиcталoгeoмeтpiя, влаcтивocтi.

Як сввдчить досвщ експлуатацп деталей аыацшно! техтки (передуам гелтот^в) несуча здатнють лопаток компресорiв низького тиску, виготовлених зi сплавiв титану типу ВТ8М, залежить ввд загального стану !х поверхневих шарiв, який можна суттево полiпшиги шляхом створення спещального покригтя та використання поверхневого деформащйного змiцнення [1]. Створення на деталях тонкоптвкових знососгiйких покритв iз застосуванням вакуум-плазмових технологiй отрима-ло значне розповсюдження, особливо для високонаван-тажених лопаток, що працюють за умов знакозмiнних навантажень.

Властивостi i працездатнiсть плазмових покриттiв суттево залежать вiд залишкових напружень, як1 вини-кають у процесi !х створення i на як1 впливають рiзнi струкгурнi та енергетичнi фактори. Тому цьому питан-ню у статп придiлено особливу увагу.

Нiтридотитановi покриття створювали на лопатках зi сплаву ВТ8М за спещальною технологiею. Суттсть методу полягала в розпиленнi металу у вакуумi в сере-довищi реакцiйного газу, що приводило до конденсацп газометалево! плазми на оброблюванш поверхнi деталi (метод К1Б). Використовуючи азот як реакцiйний газ, отримували певного типу нiтриди.

Високий стушнь ютзацл плазмових потоков сприяе утворенню тугоплавких титанових з' еднань при поршня-но низьк1й температурi (300...600 °С) оброблювано! поверхнi детал^ що дозволяе створювати покриття на рiзних матерiалах, не змiнюючи !х первиннi фiзико-хiмiчнi властивосп.

Подальше спещальне ультразвукове змiцнення (УЗЗ) лопаток кульками певного розмiру здiйснювали за сершною технологiею. Фiнiшною операцiею для пера лопатки було вiброполiрування (ВП).

*Зразки надат Лук'яненко О.Л. (АТ «Мотор Сч»)

Вивчення впливу змщнювальних обробок на струк-турш змiни в поверхневих шарах лопаток проводили за допомогою рентгеноструктурного аналiзу в мiдному випромiнюваннi на дифрактоме'^ типу ДРОН. Моно-хроматизащю дифракцшних променiв здiйснювали за допомогою кварцового монохроматора, встановлено-го перед сцинтиляцшним лiчильником, що забезпечу-вало як фшьтращю р - випромiнювання, так i iстотне зменшення фону вщ зразка. Реесграцiю дифрактограм i обробку експериментальних даних проводили з вико-ристанням комп'ютера, сполученого з дифракгомет-ром за допомогою спещального пристрою. Дифрак-тограми знiмали у повному дiапазонi кутiв вiдбиття в iнгервалi 11.. .80°. Зйомку здiйснювали з поверхт вихщ-но! кромки i спинки у плоских дiлянках пера лопатки.

Фазовий склад структури поверхневого шару проводили за стандартною методикою [2] шляхом поршнян-ня експериментальних значень мiжплощинних вщста-ней с1 iз довщковими даними [3].

1нтенсивносп лiнiй 111 i 200 для ГЦК гратки нiтриду титану (ТЫ) на дифрактограмах зразк1в значно в1дизня-лися залежно вiд виду змщнювально! обробки, що свiдчило про певну кристалографiчну орiентацiю зерен у покриттях зi сполуки ТШ. Для шлькюно! оцiнки ступеня текстурованосп й виявлення компонент тек-стури було обрано параметр Р, який харакгеризував вщношення iнгенсивностi дифракщйно1 лши 111 до штен-сивностi лши 200 (Р = /т//200). Аналопчний параметр був застосований i для зразка з нетекстурованою фазою ТШ. Такий зразок був отриманий методом под-рiбнювання шару покриття ТШ у порошок (при цьому фактично досягалося хаотичне розташування зерен ТШ). Параметр Р для нетекстурованного зразка дорiв-нював 0,55, що досить добре узгоджувалось iз вщоми-ми значеннями iнIенсивностi дифракцшних вщбиттш для фази ТЫ [3]. Перевищення значень параметра Р для експериментальних зразшв при знягтi покриття безпо-

© Л. П. Степанова, В. Ю. Ольшанецький, Г. В. Пухальська, 2015

середньо з лопатки, т^вняно 3i значениям 0,55, сввдчи-ло про формування текстури, при як1й паралельно по-верхнi лопатки переважно розташовувалися зерна, ор-ieитоваиi площинами (111).

Для виявлення механiзму формування найбiльш сприятливо! текстури покриття TiN, залежно вщ по-слвдовносп й поеднання змiцнювальних обробок ^бро-полiрувания (ВП), ультразвукове змщнення (УЗЗ та К1Б)), визначали параметр s = /004//110, де у чисельнику 1004 - штенсивтсть дифракщйно! лшп 004, як вщбиток ввд кристалоrрафiчних базисних площин (0001) гексагонально! щшьнопаковано! гратки а' - фази, а у знамен-нику I - iитенсивнiсть промешв, ввдбитих ввд площин призматичного типу (1120) riei ж гратки. Параметр s як1сно характеризуе кристалографiчну орiентацiю зерен а' - фази, що виникае при виготовленш лопаток, а також ii змiнi у процеа рiзних обробок.

Надiйнiсть використання параметра s тдтверд-жуеться його низьким значенням (0,42) для порошкового нетекстурованого матерiалу лопатки. Збшьшення параметра порiвняно зi значенням 0,42 свщчить про те,

що зерна а' - фази в об'емi поверхневого шару лопатки орiентованi вщносно ii поверхнi переважно площинами (0001). Треба додати, що методику оцшки текстури в поверхневому шарi лопаток у процеа 1хнього ви-готовлення вперше було описано в робоп [4], яка дещо вiдрiзнялася при оцiнки компонента текстури (0001) в цьому дослвдженш.

Проведено також порiвияльне вивчення характеристик структури поверхневого шару лопаток тсля вiбро-полiруваиня (ВП), а також ультразвуково! обробки кульками (УЗЗ) з наступним або попередшм нанесенням покритв TiN.

Аналiз дiфрактограм зразк1в лопаток з нанесеними

покриттями показав, що, крiм лiнiй а' i в - фаз титану, в ньому наявнi ще i л1ни фази нiтриду титану TiN з ГЦК граткою (просторова група Fm3m). Обранi для аналiзу лшп 111 i 200 мали рiзну iитенсивнiсть, що сввдчило про наявшсть рiзного ступеня текстурованостi покриття.

£ = I004/I110

2,5

2 -

1,5 -

1 -

0,5 -0

Були визначеш штенсивносп обраних лiнiй для а' - фази i хiмiчноI сполуки ТШ вiдповiдно пiсля кожного виду обробки для спинки й кромки,а також розрахо-вано параметри в, що характеризуе текстуру а' - фази, i Р для виявлення текстури покриття ТЫ". Розрахунковi значення цих параметрiв наведено в табл. 1 i 2.

Таблиця 1 - Значення параметра в, що характеризуе текстуровашсть а' - фази для рiзних способiв змiцнення i дослвджуваних дiлянок пера лопаток

Споаб обробки Параметр s = I004/I110

спинка кромка

Без ВП 0,88 1,30

ВП 1,09 1,38

ВП+УЗЗ (5хв) 2,36 1,50

ВП+УЗЗ (10хв) 2,00 1,6

ВП,950 °- вiдпалеиия 0,62 0,48

К1Б 0,78 1,27

ВП+К1Б 0,81 1,29

ВП+УЗЗ (5хв)+К1Б 2,22 1,62

ВП+УЗЗ (10хв)+К1Б 1,92 1,80

ВП+К1Б+УЗЗ (5хв) 1,79 1,54

Таблиця 2 - Значення параметра Р, що характеризуе текстуровашсть покриття TiN для рiзних видiв обробки й дослвджуваних далянок пера лопаток

Споаб обробки Параметр Р = 1111/1200

спинка кромка

К1Б (без ВП) 6,2 3,2

ВП+К1Б 11,4 6,6

ВП+УЗЗ (5хв)+К1Б 17,4 12,6

ВП+УЗЗ (10хв)+К1Б 14,6 13,2

ВП+К1Б+УЗЗ (5хв) 13,0 10,3

□ Спинка

□ Кромка

Порошковий зразок

ВП+УЗЗ(5хв.)

Вiдпал

Рис. 1. Залежшсть параметра s, що характеризуе текстуровашсть а' - фази, вщ р1зних вид1в обробки i дослщжуваних дтянок

пера лопатки

Без ВП

ВП

Як показав аналiз (рис. 1, табл. 1), при обробщ УЗЗ деформащя в поверхневому шарi сприяла збiльшенню кiлькостi зерен а' - фази, орiентованих вiдносно по-верхт лопатки базисною площиною (0001). П1сля УЗЗ параметр в для спинки становив 2,36 i 2,0, тсда як пiсля вiброполiрування без обробки УЗЗ вш дорiвнював 1,09.

Обробка УЗЗ лопаток з покриттями приводить до збшьшення кшькосп зерен, орiенIOваних базисною площиною вщносно !х поверхонь, але ютотно менше, нiж попередня обробка УЗЗ до процесу покриття. При об-робцi ВП+К1Б для спинки и параметр в дорiвнював 0,81; для обробок ВП+К1Б+УЗЗ(5хв) i ВП+УЗЗ(5 хв)+К1Б вiдповiдно 1,79 i 2,22 (рис. 2). Слад зазначити, що наси-чення твердого розчину а' - фази атомами азоту част-ково блокуе розвиток процеав деформацп у поверхне-

вих зонах лопаток, оскшьки у цьому випадку збшьшуеться частка зерен,орiентовaних площинами призматичного типу (1120), i цей факт збiгaеться з лгге-ратури [7].

Анaлiз текстури покриття показав ютотний збiг на-пряму змiни значень параметра Р для покригтя (рис. 3, табл. 2) i параметра в для а' - фази (рис. 2, табл. 1).

Встановлено, що зб№шення параметра Р для спинки i кромки лопатки ввдбуваеться як у випадку поперед-ньо! обробки УЗЗ до нанесення покриття, так i при об-робцi УЗЗ тсля утворення покриттiв. Ввдзначимо над-звичайно важливий факт, який сввдчить про те, що при такш послiдовностi комплексно! обробки спостертаеть-ся тдвищена к1льк1сть зерен з базисною орiентaцiею (0001) у поверхневих зонах виробiв.

Е — 1оо4/1110

2,5 п 2 -1,5 1

0,5 0

ВП + УЗЗ ВП + К1Б + (5 хв.) + К1Б УЗЗ (5 хв.)

□ Спинка

□ Кромка

Порошковий зразок

Рис. 2. Залежнють аараметра в , що характеризуе текстурованють а' -фази вщ р1зних вид1в обробки й дослщжуваних дшянок

пера лопатки 1з покриггям ТЫ

ВП + К1Б

Р — 1ш/1200

20 п 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

□ Спинка

□ Кромка

Порошок ПК

К1Б (без ВП)

ВП + УЗЗ ВП + К1Б ( 5 хв.) + К1Б + УЗЗ ( 5 хв.)

Рис. 3. Значения параметра Р, що характеризуе текстурованють покригтя ТЫ вщ р1зних вид1в обробки й дослщжуваних

дшянок пера лопатки

ВП + К1Б

Отримаш результати можна пояснити з огляду на так1 мiркування. Ведомо [8], що залежно ввд типу крис-талiчно! гратки переважну швидк1сть росту мають пло-щини з найбшьшою ретикулярною густиною, до яких належить i площина (111) ГЦК гратки нириду титану. Величина параметра Р, отриманого для нетекстурова-ного нiтридного покриття, знятого з поверхнi лопатки й подабненого в порошок, дорiвнюе 0,55 (на рис. 3 пунктирна лЫя).

1стотне збiльшення значень параметра Р для вах зразк1в порiвняно з величиною 0,55 свiдчить про переважну паралельну орiентацiю зерен титану (0001) вщносно контактно! площини (111) у покрит зерна, що повинно сприятливо впливати на зносостшкють матер-iалу, оск1льки площини типу (111) i (0001) е найбшьш щiльнопакованими. Збiльшення загально! кшькосп зерен обох фаз iз такою орiентацiею е значно суттевiшим (17,4 i 14,6) пiсля попередньо! обробки УЗЗ протягом вщповщно 5 i 10 хвилин (табл. 2).

Виникнення сприятливо! текстури нiтридного покриття буде також визначатися найбшьш переважним орiентацiйним узгодженням кристалiчних граток тдкладки (титану) й покриття [9]. Близью характеристики структури в цьому планi мають площини типу (111) ГЦК гратки нириду титану й базисно! площини (0001) ГЩП гратки а' - фази (рис. 4). Отже, якщо на поверхнi лопатки, як на шдкладщ, бiльшiсть зерен орiентована базисною площиною (0001), то мiжфазна границя мiж покриттям i поверхнею лопатки, очевидно,буде набли-жатися до когерентно! (найбшьш значний рiвень крис-талогеометричного зв'язку). Це забезпечуе термоди-намiчно випдне формування кристалiв ТЫ i а' - фази з найбшьш сприятливим !х взаемним орiентуванням.

У термодинамiчному сена зазначене явище ввдзна-чаеться необхвдним спiввiдношенням енергетичних характеристик, яш пов'язанi з майже максимальною ад-гезiею одного типу матерiалу з шшим. Мiрою термо-динамiчного виграшу слугуе залежнiсть

Ау

покр/матр

У матр + У покр У покр/матр.

(1)

Тут усi у - поверхневi енергi! вiдповiдно чистим поверхням матрицi (пiдкладки), покриття i мiжфазно! меж1 покриття-матриця (в нашому випадку, покриття це - Т1Ы, а матриця - а' - фаза титанового матерiалу). При цьому треба також зазначити, що у цьому випадку слад розглядати тшьки ефект сильно! адгезi!, який забез-печуеться наявшстю сильно! нерiвностi

АУ покр / матр

У п

>> 2. Це безпосередньо випливае з таких

покр

стввщношень:

У

= у + У СОЯ О

матр покр/матр матр

(2)

де 9 - кут умовного змочювання одним матерiалом (покриттям) i шшого (матрицi), а також i ведомого р1внян-ня Дюпре

АУ покр / матр

1 + соя 9 =

У п

(3)

З проведених дослщв легко бачити, що кут 9 майже дорiвнюе нулю, а це свщчить про реалiзацiю при створенш покритпв Т1Ы на двофазному титановому сплавi типу ВТ8 пiсля його певно! обробки, мiцних з'еднань епiтаксиального виду, бо рiзниця м1ж атомними ввдстанями у площинах з максимальною ретикулярною гу-стиною е в цьому випадку винятково малою (рис. 4).

Рис. 4. Площини сполучення граток а' - фази 1 ТЫ

Низьк1 значення параметра Р 6,2 для спинки й 3,2 -для кромки лопатки, яки не шддавалися вiброполiру-ванню, свiдчaть про те, що ефектившсть очищення по-верхонь лопаток при бомбaрдувaннi 1х iонaми титану трохи знижуеться через наявшсть макроушкоджень на поверхнi, що, у свою чергу, зменшуе мiру текстурова-ностi покриттiв. Усунення вiброполiрувaнням ушкод-жень пiдвищуе текстуровaнiсть покриття (обробка ВП+К1Б).

Вiдзнaчимо, що для вах комплексних обробок част-ка зерен, орiентовaних площинами (111) паралельно поверхш спинки лопатки перевищуе текстуровашсть покриття на кромках (можливо через менше очищення поверхш гострих кромок, а також розбiжностi в харак-терi текстури а' - фази).

У робоп [10] вiдзнaчaеться, що в процеа К1Б плаз-мохiмiчнa реaкцiя титану з азотом при утворенш нлри-ду титану вщбуваеться переважно на поверхнi виробiв i тому ймовiрнiсть дифузп азоту в поверхневий шар лопатки е досить високою. Осюльки азот, вiдповiдно до дааграми стану ТьЫТ, е а' - стабшзатором, то утворення твердого розчину впровадження азоту у гратку а' - фази завжди приводить до збшьшення параметра гратки, що е характерним саме для твердих розчинiв впровадження.

З метою тдгвердження можливосп дифузп азоту iз утворенням твердого розчину впровадження були виз-нaченi перiоди елементарно! комiрки а' - фази а i с при

використанш лiнiй 110 а' i 004 а'. Розрaхунковi дaнi цьо-го експерименту представлен в табл. 3.

Таблиця 3 - Перюди (параметри) елементарно! ко-мiрки а' - фази тсля рiзних cnoco6iB змiцнення для спинки пера лопаток

Споаб змшнення Параметри елементарно! юмрки

с, нм а, нм

Без ВП 0,4663 0,2929

ВП 0,4663 0,2931

ВП+К1Б 0,4660 0,2930

К1Б 0,4668 0,2932

ВП+УЗЗ (5 хв) 0,4663 0,2930

ВП+УЗЗ (10 хв) 0,4662 0,2932

ВП+УЗЗ (5хв)+К1Б 0,4674 0,2931

ВП+УЗЗ (10хв)+К1Б 0,4673 0,2933

ВП+К1Б+УЗЗ (5хв) 0,4679 0,2928

Виявлено iстотну розбiжнiсть у значеннях параметра с, (у той же час параметр а практично залишаеться незмшним), що не суперечить даним роботи [9], у якш спостертали збiльшення параметра с залежно вiд юлькост азоту в титаш.

Вiдомо, що азот у твердому розчиш ГЩП- гратки займае позицп в тетраедричних i октаедричних порах. При цьому останш мають бшьший об'ем порiвняно з тетраедричними i являють собою в напрямках [0001] суцшьш сприятливi канали [6], чим i пояснюеться збiльшення параметра с для вах зразюв лопаток з нане-сеними покриттями нiтриду титану (табл. 3).

Параметр с на зразках з попередньою обробкою УЗЗ протягом 5 i 10 хвилин перед покриттям в порiвняннi зi зразками без обробки УЗЗ е бшьшим, що пов'язано, ймовiрно, зi збiльшенням кiлькостi зерен, орiентованих площинами (0001) паралельно поверхням лопаток. Ос-танне пiдтверджуеться даними по визначенню фактора Р, який характеризуе зм^ текстури. Так, при обробцi УЗЗ протягом 5 хвилин, ззначення Р збшьшуеться до величини 2,36 у порiвняннi з величиною 1,09 для ще! характеристики безпосередньо пiсля виброполiруван-ня (табл. 1).

Якщо обробку УЗЗ проводили тсля нанесення покриття (ВП+К1Б+УЗЗ 5 хв), то значення параметра с ста-новить вщповщно 0,4679 нм, що перевищувало цю характеристику в тому випадку, коли обробка УЗЗ передувала процесу створення покриття.

Змщнення твердого розчину внаслiдок пошкоджен-ня кристалiчноï гратки, а також блокування атомами азоту дислокацш, пiдвищують залишковi напруження стиснення для варiанту послщовносп обробок ВП+УЗЗ (5 хв) + К1Б. Слiд зазначити, що наявшсть азоту у твердому розчиш гратки а' - фази, як домiшки впровадження, може приводити до появи деяко! частки спрямованого ковалентного зв'язку [8], а це е також одним iз факторiв, яю сприяють пiдвищенню мiцностi матерiалу.

Висновки

1. Встановлено, що покриття нiтриду титану на лопатках текстуроваш з переважною орiентацiею напрям-ку [111] вщносно поверхнi лопатки. Найкраще розмiр-не i структурне сшввщношення спостерiгаеться мiж площинами (111) ГЦК гратки нiтриду титану та (0001) ГЩП гратки а - фази титанового сплаву. Гратки TiN i а -Ti е майже щеальною епiтаксимальною парою, що забезпечуе мшмальну питому енергiю мiжфазноï гра-нищ i суттево пiдвищуе рiвень адгезп м1ж контактними поверхнями фаз.

2. Сприятливi умови для росту зерен TiN створю-ються при попереднш обробцi УЗУ(5 хв), коли збшьшуеться кшьшсть зерен а' - фази в титановому сплав^ орiентованих площинами (0001) вщносно по-верхнi титаново! лопатки.

Список лiтераlури

1. Аппен А. А. Основные физико-химические принципы создания жаростойких неорганических покрытий / Аппен А. А. // Жаростойкие покрытия. - Л.; М. : Наука, 1965. - С. 3-54.

2. Русаков А. А. Рентгенография материалов / Русаков А. А. // М. : Атомиздат. - 1977. - 480 с.

7. Бабад-Захрапин А. А. Текстурованные высокотемпературные покрытия / Бабад-Захрапин А. А., Кузнецов Г. Д. -М.: Атомиздат. - 176 с.

8. Коллингз Е. В. Физическое металлаведение титановых сплавов / Коллингз Е. В. - М. : Металлургия, 1988. -223 с.

9. Рудницький Н. М. До оцшки впливу залишкових на-пружень i змщнення поверхневого шару на втомную мiциiсть деталей / Рудницький Н. М. // Пробл. мщноси, 1981. - № 10. - С. 27-34.

10. Нанесення зносостшких покритпв на швидкорiзальиий iиструмеит // [Внуков А. А., Марков Л. В., Лаврова Л. В., Бердишев Н. Ю]. -К. : Техника, 1992. - 143 с.

Одержано 09.12.2015

Степанова Л.П., Ольшанецкий В.Е., Пухальская Г.В. Об образовании благоприятной кристаллогеометрии покрытий TiN на авиационных лопатках из титановых сплавое

Рассмотрены способы обработки титаноеых лопаток (сплае ВТ8) компрессорое газотурбинных аеиадеигателей для изменения структуры нанесенных порошкоеых покрытий (TiN) е плане создания благоприятной кристаллогеометрии поеерхностных зон деталей, которая обеспечиеает сущестеенное поеышение механических сеойсте и эксплуатационных характеристик изделий.

Ключевые слова: титаноеый сплае, методы обработки, адгезия, кристаллогеометрия, сеойстеа.

Stepanova L., Ol'shanetskii V., Pukhal'skaia G. The formation of a favorable crystal geometry of TiN coatings on aircraft blades made of titanium alloys

The methods ofprocessing titanium blades (VT8 alloy) of compressor turbine engines to change the structure of the powder coating (TiN) in terms of creating a favorable geometry of adhesion the surface areas of parts, which provides a significant improvement in the mechanical properties and performance offinal product.

Key words: titanium alloy, processing methods, adhesion, crystal geometry, properties.

3. Горелик С. С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ // Горелик С. С., Расторгуев Л. Н., Ска-ков Ю. А. - М. : Металлургия, 1979. - 366 с.

4. Влияние технологии изготовления и характер тексту-рованности лопаток ГДТ / [Жеманюк П. Д., Ольшанецкий В. Е., Степанова Л. П. и др.] // Металознавство та обробка метал!в, 1998. - № 3. -С. 22-27.

5. У. Цвиккер Титан и его сплавы / У. Цвиккер. - М. : Металлургия, 1979. - 512 с.

6. Шаскольская М. П. Кристаллография / Шаскольская М. П. -М., 1976. - 391 с.