Разработка и исследование многослойных комбинированных покрытий высокотемпературного назначения Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

SCIENCES OF EUROPE # 16 (16), 2017 | TECHNICAL SCIENCES_83

оборудования плазменной наплавкой и последую- 4. Малушин Н.Н. Наплавка с низкотемпера-

щим азотированием/ Н.Н.Малушин, О.Е. Козы- турным подогревом теплостойкими сталями дета-

рева//Вестник горно- металлургической секции лей металлургического оборудования/Н.Н. Малу-

РАЕН: сборник научных трудов. Вып.28 - Москва- шин, В.Л. Осетковский, И.В. Осетковский//Загото-Новокузнецк: ГОУ ВПО «СибГИУ»,2011. - С.137- вительные производства в машиностроении,

142. 2014,№10,С.6-10.

3. Малушин Н.Н. Регулируемый термический 5. Рудаков С.Г. О возможности ультразвуко-

цикл для плазменной наплавки прокатных валков вого упрочнения наплавленного быстрорежущего

теплостойкими сталями/Н.Н. Малушин, Т.Г. Вост- металла/С.Г. Рудаков, Н.Н. Малушин, Г.И Глухов //

рецова// Заготовительные производства в машино- Изв. Вузов. Черная металлургия.- 1984.- №12.-

строении, 2014,№13,С.14-17. С.133-134.

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО

НАЗНАЧЕНИЯ

Гузанов Б.Н.

Доктор технических наук, профессор, Российский государственный профессионально- педагогический университет

Обабков Н.В.

Доктор технических наук, профессор, Уральский Федеральный университет Мигачева Г.Н.

Кандидат технических наук,доцент, Российский государственный профессионально- педагогический университет

г.Екатеринбург, Россия

DEVELOPMENT AND RESEARCH OF MULTI-LAYER COMPOSITE COATINGS HIGH TEMPERATURE

Guzanov B.N.

Doctor of engineerings sciences, professor, Russian state professional'no-pedagogical university

Obabkov N.V.

Doctor of engineerings sciences, professor, Ural Federal University Migacheva G.N.

Candidate of engineerings sciences, associate professor, Russian state professional'no- pedagogical university

Ekaterinburg, Russia

АННОТАЦИЯ

С целью сохранения расчетной долговечности деталей высокотемпературного назначения в статье предлагается использовать защитные многослойные комбинированные покрытия , наносимые на контактную поверхность с использованием метода термодиффузии и плазменного напыления. Весьма позитивен финишный лазерный переплав двухслойного покрытия, обеспечивающий формирование плотного беспористого защитного слоя с однородной мелкодисперсной структурой.

ABSTRACT

With the aim of preserving the design life of the parts with high temperature applications, the article proposes to use a protective multi-layer combination coating deposited on the contact surface using the method of diffusion and plasma spray. A very positive finish laser remelting of a two-layer coating that ensures the formation of dense pore-free protective layer with a homogeneous fine-dispersed structure.

Ключевые слова: покрытия высокотемпературного назначения, локальное легирование, микротвердость поверхностного слоя, плазменное напыление, лазерный переплав.

Keywords: coating with high temperature applications, local alloying, microhardness of the surface layer, plasma spraying, laser remelting.

Работоспособность и долговечность в составе изделия ответственных деталей газотурбинных

установок, испытывающих в процессе эксплуатации комплексное воздействие высоких температур и агрессивных газовых сред, во многих случаях

определяется способностью используемых жаропрочных сплавов сопротивляться коррозионно-эро-зионному разрушению. При этом необходимо учитывать, что ресурс в данном случае зависит не столько от объемных свойств самого материала, сколько от скорости накопления критических дефектов на контактных поверхностях [1]. Предохранить поверхностные слои металла от поражающего фактора внешней среды и сохранить расчетную коструктивную прочность деталей удается за счет применения соответствующих защитных покрытий, состав и технология нанесения которых выбираются индивидуально для каждого конкретного случая использования [2].

Такой подход не исключает введение в систему защиты индивидуального назначения одних и тех же легирующих элементов или композиций в различных концентрационных соотношениях, например №(Со), Сг, Л!, Si, P3M [3]. Однако набор компонентов в покрытиях высокотемпературного назначения весьма ограничен, что преполагает наличие определенного уровня совокупных внешних воздействий, при которых они могут быть эффективно использованы длительное время при сохранении первоначальных защитных свойств.

Существенно повысить долговечность защитных покрытий можно за счет последовательного нанесения нескольких защитных слоев с разными свойствами. В качестве слоев таких покрытий можно использовать наряду с традиционными ин-терметаллидными композициями №(СО) - Сг - Л1 - У теплозащитные керамические ( на основе 2пО2) , барьерные, эрозионно стойкие и другие слои со специфическими свойствами [4-6]. При этом недостатки одних типов покрытий можно уменьшить за счет нанесения защитных слоев другими способами. Кроме того , значительно улучшить защитные свойства поверхностного слоя удается, как отмечается в работах [7- 8] за счет лазерной обработки. В этом случае можно не только изменить структуру и свойства покрытия, но и ввести новые элементы на поверхность детали , т.е. провести локальное легирование.

При помощи многослойных покрытий сразу решается несколько задач: повышается коррозионная стойкость, снижается температура поверхности за счет нанесения теплозащитного слоя. Как правило, последнее достигается за счет напыления керамики на особенно нагреваемые участки поверхности деталей, в частности, на входные кромки лопаток ГТД.

Существенным недостатком теплозащитных керамических слоев на основе 2гО2 является низкая прочность сцепления с металлической поверхностью, а также высокая склонность к растрескиванию и отслаиванию при теплосменах в результате существенных различий в КТР [9]. Удачным решением этой проблемы можно считать нанесение промежуточных металлических слоев , обладающих высокой адгезией и к керамике , и к металлу-основе, например напыляемые сплавы системы

№(Со) - Сг - Л1 (У). Химический и фазовый составы таких слоев должны обеспечивать , во-первых, защиту поверхности лопаток от газовой коррозии, во вторых, промежуточное значение КТР между сплавом-основой и керамикой, в-третьих, получение при эксплуатации тонкой и прочной пленки Л12О3 на границе с керамическим слоем. В качестве метода нанесения теплозащитных покрытий можно выбрать плазменное напыление.

Для преодоления таких недостатков плазменных покрытий, как невысокая термическая стабильность и внутренняя пористость, можно использовать в качестве барьерного слоя на границе сплав-покрытие термодиффузионное алюминидное покрытие, в частности покрытия Л1^-Р3М[10].

Рассмотрим комбинированные покрытия, полученные при различных последовательностях нанесения термодиффузионного алюминидного ( ДП), плазменного интерметаллидного ( ПМ), плазменного керамического (ПК) слоев, а также при лазерном оплавлении двухслойного покрытия, которое состоит из алюминидного термодиффузионного слоя Л1^ьР3М и плазменного слоя №- Сг - Л1

- У. Покрытия наносили на никелевый сплав ЭИ929, широко используемый для изготовления лопаток стационарных газовых турбин. Параметры покрытий указаны в табл.1.В исходном состоянии комбинированное покрытие состоит из трех слоев . Первый слой толщиной 40-55 мкм расположен на границе со сплавом-основой.

Основной фазовой составляющей этого слоя является моноалюминид р-№Л1, легированный кремнием и Р3М(Се, Ьа), содержание последних -не более 1%. Этот слой обеспечивает высокую жаро- и коррозионную стойкость , а также диффузионную стабильность всего покрытия в целом, а именно, эффективно препятствует диффузионному перераспределению никеля в защитный алюминид-ный слой при высоких температурах. Второй -плазменный слой №- Сг - Л1 - У толщиной 115мкм, состоит из Р-алюминида №Л1 и твердого раствора Сг в g -№. Этот слой обеспечивает высокую термостойкость покрытия, а также хорошую адгезию керамического внешнего слоя к поверхности. Третий

- внешний керамический слой (2гО2, У2О3) толщиной 50мкм - теплозащитный, в процессе эксплуатации снижающий температуру поверхности сплава ЭИ929.

После нанесения покрытия на границе первого и второго слоев обнаружены мелкие единичные поры, заполненные окислами М2О3, содержащими 60% Сг, около 5% Л1 и примерно 1% У. Для повышения адгезии всех трех слоев комбинированного покрытия целесообразно проводить отжиг в вакууме при 1050°С в течение 2ч. После этого микропоры на границе между первым и вторым слоями залечиваются, а также несколько выравнивается химический состав в металлических слоях, особенно по алюминию (см. табл.1 ).

Таблица1

Параметры многослойных покрытий в исходном состоянии

Вид покрытия Вид слоя Толщина слоя, мм Содержание, %

Cr Al Ni Si Zr Y

ДП+ПМ Al-Si-P3M ZrO2+8Y2Os 40-55 50-60 6-8 26-30 47-52 1-2 65-70 6-7

ДП+ПМ Al-Si-P3M Ni-Cr-Al-Y 40-55 110-120 6-8 g:29-31 P:9-11 26-28 g:4-6 P:18-20 47-52 g:63-65 P:70-72 1-2 - -

ДП+ПМ+лазерная обработка Ni-Cr-Al-Y 150 9-11 11-13 65-69 <1 1 <1

ПМ+ДП Ni-Cr-Al-Y Al-Si-P3M 60 50-60 g:29-31 P:9-11 6-8 g:4-6 P:18-20 26-30 g:63-65 P:70-72 47-52 1-2 - <1

ДП+ПМ+ПК Al-Si-P3M Ni-Cr-Al-Y ZrO2+8Y2O3 40-55 110-120 50 6-8 g:29-31 P:9-11 26-30 g:4-6 P:18-20 47-52 g:63-65 P:70-72 1-2 65-70 <1 6-7

ДП+ПМ+ПК+от-жиг в вакууме (1050°С,2ч) Al-Si-P3M Ni-Cr-Al-Y ZrO2+8Y2O3 50-60 120 50 6-9 g:27-29 P:9-11 22-25 g:6-8 P:16-18 47-52 g:63-65 P:72-75 60-66 1-2 60-66 <1 5-7

После нанесения покрытия на границе первого и второго слоев обнаружены мелкие единичные поры, заполненные окислами М2О3, содержащими 60% Ог, около 5% Al и примерно 1% Y. Для повышения адгезии всех трех слоев комбинированного покрытия целесообразно проводить отжиг в вакууме при 1050°С в течение 2ч. После этого микропоры на границе между первым и вторым слоями залечиваются, а также несколько выравнивается химический состав в металлических слоях, особенно по алюминию (см. табл.1 ).

Для повышения коррозионной стойкости плазменного слоя №- О" - Al - Y на него можно нанести термодиффузионное алюминидное покрытие. При этом содержание алюминия в поверхностной зоне плазменного слоя на глубине 50-60мкм увеличивается в 1,5-2 раза ( см. табл.1) и формируется более плотный слой без видимых при металлографическом и растровом анализе пор. Толщина первоначально напыленного плазменного слоя №- Ог - А1 - Y не меняется.

Лазерный переплав двухслойного покрытия, состоящего из ДП и ПМ, устраняет обычную гетерогенность структуры плазменного покрытия и приводит к формированию плотного беспористого защитного слоя с однородной мелкодисперсной структурой и равномерным распределением легирующих элементов. Значения микротвердости со-

ставляют 6800-7200МПа. Фазовый состав образовавшегося в результате лазерной обработки поверхностного слоя следующий : g-твердый раствор на основе никеля, g'- фаза №зА1 и р-твердый раствор на основе Ог. Сплав- основа участвует в лазерном переплаве поверхности наряду с ДП , поэтому содержание алюминия в покрытии по сранению с ПМ практически не меняется ( см. табл.1).Особо следует отметить состояние границы раздела между ДП и ПМ. Если в случае последовательного нанесения этих слоев на границе между ними развивается пористость, то после лазерного оплавления ее нет.

Кинетика окисления на воздухе при температуре 950°С трехслойного покрытия без отжига и с отжигом в вакууме практически одинакова (рис.1). Это связано с тем, что керамический внешний слой имеет пористое строениеи и он легко пропускает кислород к металлическому слою. Второй слой №-Ог - А1 - Y также пористый. Очевидно, в первые часы выдержки при температуре 950°С на воздухе происходит внутреннее окисление второго слоя, сопровождающееся образованием окислов АЬОз и Ог2О3во всем объеме ПМ. Этим и объясняется увеличение массы образцов с трехслойным покрытием в первые часы испытанием на жаростойкость. В дальнейшем процесс окисления тормозится и скорость его сохраняется на уровне ДП.

Рис. 1 Кинетика окисления сплава ЭИ929 с покрытиями при температуре 950ЭС. ДП+ПК; 2- ДП+ПМ; 3- ДП ( приведено для сравнения); 4 - ПМ+ДП; 5 - ДП+ПМ +ПК; 6 - ДП + ПМ + ПК +отжиг в вакууме 1050^С; 7 - сплав без покрытия

После 515 часов выдержки на воздухе при температуре 950°С трехслойное покрытие сохранилось полностью на поверхности образцов. Отслоение керамического внешнего слоя не наблюдалось. В покрытии в целом уменьшилось содержание алюминия и хрома, которые расходовались на образование защитных окислов. Однако это не привело к возникновению алюминида g'- №3А1. Во внешней зоне второго слоя образуется окисел У20з. На границе между ДП и ПМ присутствуют микропоры, заполненные окислами хрома, алюминия и иттрия. При коагуляции этих микропор могут образовываться длинные цепочки пустот, неизбежно приводящие к скалыванию и осыпанию плазменных слоев при более длительных испытаниях.

При нанесении керамического слоя на ДП образуется композиция с недостаточной прочностью сцепления керамического и металлического слоев. Даже при небольших нагрузках имеют место, как следует ожидать, локальные сколы керамического слоя. Однако при испытаниях жаростойкости это покрытие показало достаточно высокие защитные свойства. Очевидно, процесс окисления этого двухслойного покрытия на воздухе определяется защитными свойствами металлического слоя алюмини-дов никеля, легированных кремнием и РЗМ.

В случае двухслойного покрытия ДП+ПМ уже после 228часовой выдержки в тиглях наблюдаются осыпи (образцы в ходе испытаний взвешивали в тиглях вместе с осыпью). Увеличение содержания алюминия в ПМ за счет термодиффузионного али-тирования не улучшает защитные свойства. Уже после 16-часовой выдержки на воздухе при 950°С

происходит интенсивное отшелушивание и отслаивание покрытия, сопровождающееся резким увеличением массы образца.

В случае лазерного проплавления диффузионного алюминидного слоя совместно с плазменной композицией N1- Сг - А1- У нет смысла взвешивать образцы в ходе испытаний, поскольку ширина дорожки оплавления составляла всего 2мм, а остальная поверхность образца остается покрытой плазменным слоем. Привесы этих образцов мало отличаются от привесов двухслойного покрытия ( ДП+ПМ), поэтому сравнительную жаростойкость оплавленного лазерным лучем покрытия следует оценивать не по привесам, а по глубине окисления Ьо, а также по изменениям значений микротвердости и содержании алюминия.

Полученная после лазерной обработки мелкодисперсная структура обладает высокой термической стабильностью и не претерпевает существенных изменений в ходе испытаний. Лищь на глубине 10-15мкм от поверхности (толщину этого поверхностного слоя следует принимать за глубину окисления) содержание алюминия уменьшается до 68%, что связано с расходованием этого элемента на образование защитной окисной пленки. При этом значение микротвердости снижается до 5000МПа (табл.2).

В условиях жестких коррозионных испытаний ( в расплаве смеси солей 75% Na2S04 и 25% № С1 при 900°С по методике [ 11] лучшие защитные свойства показало комбинированное трехслойное покрытие без отжига в вакууме (рис.2). После 50-часовых испытаний это покрытие полностью сохранилось на поверхности образцов.

Таблица 2.

Глубина поврежденного слоя образцов с комбинированными покрытиями после 500 ч испытаний

№ Вид покрытия Ь0, мкм Ьк, мкм

1 ДП+ПК 0 300-380

2 ДП+ПМ 100 - 150 300-380

3 ДП+ПМ+ лазерная обработка 10 - 15 50-60

4 ДП+ ПМ + ПК Единичные поры по гра-ницае ДП и ПМ Локальные отслоения по границе ДП и ПМ

5 ДП+ ПМ + ПК + отжиг в вакууме (900°С, 2ч) То же То же

В покрытии , предварительно подвергнутом отжигу в вакууме, внешний керамический слой начинает растрескиваться и отслаиваться после 40ч испытаний в расплаве солей. Очевидно , меньший запас алюминия в этом покрытии по сравнению с покрытием без предварительного отжига в вакууме приводит к более быстрому образованию шпинелей №АЪ04 и N101204 на границе с керамическим слоем. Напряжения, возникающие при росте

пленки этих соединений, способствуют растрескиванию внешнего слоя ( 2г02, У203).

Для покрытия ДП + ПК характерно следующее: после 20-часовой выдержки в расплаве солей растрескивается и вспучивается керамический слой, появляются зеленые наросты окислов Сг203 и N10. В дальнейшем покрытие уже не защищает сплав и коррозионные прцессы определяются только свойствами основного металла.

Рис.2. Изменение средней скорости коррозии покрытий (950°С) ДП+ПК; 2- ДП+ПМ; 3- ДП (приведено для сравнения); 4 - ПМ+ДП; 5 - ДП+ПМ +ПК; 6 - ДП + ПМ + ПК +отжиг в вакууме 105&С; 7 - сплав без покрытия

Низкая коррозионная стойкость покрытия ДП+ПК связана с тем, что при толщине слоя алю-минидов металлического покрытия 40-55 мкм ( см. табл. 1) запаса алюминия недостаточно, чтобы обеспечить образование защитного окисла А1203 в течение длительной выдержки в расплаве солей. Анализ поперечных шлифов показывает, что уже после 10-часовых коррозионных испытаний на некоторых участках поверхности поверхности образцов в ДП произошло Р^и1- превращение. В ходе дальнейших испытаний на этих участках , очевидно, образуется вместо окисла А1203 по границе с керамическим слоем шпинель №А1204, обладающая более низкими защитными свойствами в условиях солевой коррозии.

При коррозионных испытаниях в расплаве солей долговечность двухслойного покрытия ДП+ПМ не превышает 20ч (см. рис.2). Лазерная обработка такого покрытия существенно повышает его коррозионную стойкость. После 50ч испытаний отслоений и осыпания покрытия не наблюдаются, проникновение продуктов коррозии в глубь оплавленного слоя отмечается на глубине не более 50мкм(см. табл.2). Таким образом, комбинированное покрытие, полученное при последовательном нанесении термодиффузионного алюминидного, плазменного N1- Сг - А1- У и керамического ( 2г02, У203) обладает достаточно высокими защитными свойствами , особенно в условиях коррозионного

воздействия сульфата и хлорида натрия. Дополнительный отжиг этого покрытия в вакууме при 1050°С в течение 2ч практически не влияет на жаро-и коррозионную стойкость. Для упрочнения наиболее опасных участков поверхности деталей, например входных кромок лопаток ГТД, можно применять лазерное оплавление комбинированного покрытия. При этом формируется однородная мелкодисперсная структура поверхносного слоя, способная обеспечивать высокие термическую стабильность и защитные свойства.

Список использованной литературы

1. Гузанов Б.Н. Исследование рабочих лопаток из сплава ЭИ893 после длительной эксплуатации в газотурбинной установке // Б.Н.Гузанов,

B.Г.Сорокин, С.В.Косицин и др. / Энергомашиностроение, 1980.- вып.3-С.26-29.

2. Гузанов Б.Н.,Сорокин В.Г.,Косицин

C.В.Разработка и перспективы использования высокотемпературных покрытий в тяжелом машино-строении.-Москва: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1986. -Сер.13, - Вып.1-32с.

3. Гузанов Б.Н. Особенности создания и перспективы использования защитных покрытий при нестационарном тепловом и механическом нагру-жении // Б.Н.Гузанов, С.В.Косицин, Н.Б. Пугачева /

Проблемы повышения контактной прочности металлических сплавов. Вестник ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, №2 (32).- Екатеринбург, 2004.-С.224-236.

4. Кислая Т.П. Интерметаллидные покрытия NiAl и ( Ni,Cr)Al, получаемые электронно - лучевым испарением из одного источника // Т.П.Кислая, Л.М.Нероденко, Б.А.Мовчан/Проблемы специальной электрометаллургии , 1999.-№3.-С.20-27.

5. Кравчук Л.В. Влияние коррозионностой-ких покрытий металл-керамика на усталостную долговечность ЧС70ВИ в потоке продуктов сгорания дизельного топлива // Л.В.Кравчук, Г.Р.Семенов, К.Ю.Яковчук и др./ Проблемы специальной электрометаллургии, 1993. -№2.-С.27-34.

6. Du H.L. Sulfidation of some MCrAlY x- type alloys //H.L.Du, P.K.Datta,V.S.Gray and others //Oxidations Metals, 1993. - vol.39.- №

1-2.-p.107-135.

7. Гузанов Б.Н. Особенности формирования защитных свойств многослойных металлокерами-ческих высокотемпературных покрытий при их локальной лазерной обработке// Б.Н.Гузанов , Н.Б.Пугачева/ Современные материалы и технологии -

2002. - Сб.статей Международной научн.-техн. конф.-пенза , 2002.-С.271-273.

8. Гузанов Б.Н. Лазерная обработка жаростойких диффузионных покрытий // Б.Н.Гузанов, С.В Косицин , Е.С.Саламатова и др./ Защитные покрытия на металлах. Киев: Наук. Думка, 1990. -вып.24.-С.76-80.

9. Малашенко И.С. Долговечность композиционных покрытий Со-Сг-А1^/2гО2 на различных никелевых сплавах при окислении на воздухе и в золе газотурбинного топлива// И.С.Малашенко, А.И.Рыбников, Ю.Д.Скляров и др./ Проблемы специальной электрометаллургии , 1990.-№3.-С.53-59.

10. Гузанов Б.Н. Модифицированное атомо-силицидное покрытие для жаропрочных никелевых сплавов // Б.Н.Гузанов, С.В.Косицын, В.П.Кузнецов и др. , Металловедение и термическая обработка металлов, 1985. -№1.- С.21-23.

11. Орышич И.В. Разработка методики испытаний жаропрочных сплавов в расплаве солей// Защита металлов, 1981.-т.17. -№1. -С.74-79.

CREATION OF A TRAINING SYSTEM UNDER THE SUBJECT "SYSTEM PROGRAMMING AND OPERATING SYSTEMS"

Rahimova N.A.

Candidate of Technical Sciences, assistant professor of Azerbaijan State University of Oil and Industry, Baku

СОЗДАНИЕ ОБУЧАЮЩЕГО СИСТЕМА ПО ПРЕДМЕТУ "СИСТЕМНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ И ОПЕРАЦИОННЫЕ

СИСТЕМЫ"

Рагимова H.A.

к.т.н., доцент, Азербайджанский Государственный Университет Нефти и Промышленности, г. Баку

АННОТАЦИЯ

Данная статья посвящена созданию обучающей системы по предмету «Системное программирование и операционные системы». Рассмотрены основные принципы работы обучающих систем, разработана концептуальная модель обучающей системы, приведен подробный интерфейс работы данной обучающей системы.

ABSTRACT

This article is devoted to the creation of a training system on the subject " System Programming and Operating Systems". The basic principles of teaching systems work are considered, the conceptual model of the training system is developed, the detailed interface of the work of this training system is given.

Ключевые слова: Системное программирование, операционные системы, обучающие системы.

Keywords: System programming, operating systems, training systems.

В настоящее время достаточно распространено применение обучающих систем в различных предметных областях. Данные системы являются одной из новейших видов проведения обучения. К преимуществам обучающих систем можно отнести то, что в них бывают сосредоточены вместе все составляющие части изучаемого предмета, и не требуется дополнительного времени и средств для поиска не-

обходимых данных по предмету. Еще одно достоинство таких систем заключается в том, что обучающийся сам в праве выбирать время и длительность урока с применением современных технологий и систем. Важно, чтобы информация в таких системах периодически проверялась и усовершенствовалась разработчиками системы. Основное их