CC BY
105
УДК 629.7.023.222
А.А. Смирнов1, С.А. Будиновский1, П.В. Матвеев1, Д.А. Чубаров1
РАЗРАБОТКА ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ЛОПАТОК ТВД
ИЗ НИКЕЛЕВЫХ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ ВЖМ4, ВЖМ5У
DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-1-17-24
Проведены исследования изотермической жаростойкости образцов из никелевых монокристаллических сплавов ВЖМ4 и ВЖМ5У для лопаток турбины высокого давления (ТВД) с теплозащитными покрытиями (ТЗП) при температурах 1200 и 1150°С на базе испытаний 100 и 500 ч. Приведены результаты металлографических исследований образцов.
Ключевые слова: теплозащитные покрытия, ионно-плазменная технология, магне-тронное распыление, жаростойкость, защита жаропрочных сплавов, покрытия для лопаток турбины.
Investigations of isothermal heat resistance of single-crystal nickel alloys VZHM4, VZHM5U samples for high-pressure turbine blades with thermal barrier coatings at temperatures 1200 and 1150°C on the basis of 100 and 500 hours are undertaken. The results of metallographic examinations of samples are provided.
Keywords: thermal barrier coatings, ion-plasma technology, magnetron sputtering, heat resistance, protection of high-temperature alloys, coatings for turbine blades.
^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: [email protected]
Введение
Модернизация и развитие отечественной авиационной промышленности требуют разработки и внедрения безуглеродистых жаропрочных никелевых сплавов для литья лопаток турбин с монокристаллической структурой. В связи с этим в ВИАМ с помощью метода компьютерного моделирования разработаны жаропрочные никелевые сплавы 4-го поколения ВЖМ4 и ВЖМ5 для литья лопаток перспективных авиационных турбин. Новые сплавы по характеристикам длительной прочности и плотности не уступают сплавам аналогичного назначения, разработанным в США (ЕРМ-102, фирма General Electric) и Франции (MC-NG, фирма ONERA), и обеспечивают при существующих температурно-силовых режимах увеличение в 4-6 раз ресурса работы лопаток или повышение на 50-60°С рабочей температуры турбин [1-4]. Однако для обеспечения длительного ресурса работы рабочих лопаток турбины в условиях интенсивных теплосмен необходима их защита специальными покрытиями, предотвращающими разрушение поверхности пера лопатки в продуктах горения авиационного топлива при высоких эксплуатационных температурах до 1200°С [5-10]. В настоящее время отсутствуют систематические исследования теплозащитных покрытий (ТЗП) для монокристаллических сплавов типа ВЖМ, содержащих рений и рутений. За рубежом для защиты деталей турбин при рабочих температурах до 1100-1150°С применяют многослойные покрытия PWA286 (фирма Pratt & Whitney Company), RT31 и MDC-150 (фирма Chromalloy Research Corp.). Исследование теплозащитных покрытий для монокристал-
лических рабочих лопаток из сплавов ВЖМ4 и ВЖМ5У при рабочих температурах до 1150-1200°С является актуальной задачей в связи с разработкой новых авиационных ГТД предприятиями отрасли.
Материалы и методы
Исследования проводили на цилиндрических образцах с монокристаллической структурой из жаропрочных никелевых сплавов ВЖМ4 и ВЖМ5У. Конструкция теплозащитного покрытия представлена на рис. 1. В качестве жаростойкого слоя ТЗП использовали экспериментальные и серийные сплавы, применяемые для изготовления ионно-плазменных покрытий: СДП-41 (Ni-Cr-Al-Ta-Re-Y-Hf); ВСДП-4 (№-А1-Сг-ИГ); ВСДП-3 (№-Сг-А1^е^-нГ); ВСДП-16 (А1-М-У).
Рис. 1. Конструкция теплозащитного покрытия
Жаростойкие слои ТЗП нанесены на промышленной ионно-плазменной установке с автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУТП) типа МАП-2. После напыления материала покрытия проводили высокотемпературный вакуумный отжиг (при 1050°С, 3 ч), необходимый для формирования покрытия и релаксации напряжений. С целью увеличения количества алюминия в поверхностном слое покрытия, необходимого для повышения жаростойкости полученного ТЗП, проводили дополнительное алитирование поверхности отожженных образцов на установке МАП-2 с использованием серийного катода из сплава на алюминиевой основе ВСДП-16 [11-15].
Керамический слой теплозащитного покрытия, наносимый на установке УОКС-2 на базе магнетронных распылителей повышенной частоты из мишеней, изготовленных на основе циркониевого сплава системы Zr-7,75Gd-7,75Y в среде рабочего газа кислорода и аргона, состоит из оксидов редкоземельных металлов с низким коэффициентом теплопроводности. Рабочий газ обеспечивает распыление мишени и генерацию потока атомов металла, направленного к поверхности покрываемых деталей. Формирование керамического слоя на поверхности деталей происходит в процессе плазмохимического взаимодействия атомов металла с атомами кислорода, которые вступают в реакцию, образуя химическое соединение [16-20].
Для проведения испытаний и исследований выбраны комплексные теплозащитные покрытия следующих составов:
- СДП-41 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+ТО+ВСДП-16 (35 г/м2)+Т0+(Zr-7,75Gd-7,75Y)0 (60-70 мкм);
- ВСДП-4 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+Т0+ВСДП-16 (35 ^VTO+^r^^Gd^^Y^ (60-70 мкм);
- ВСДП-3 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+Т0+ВСДП-16 (35 г/м2)+T0+(Zr-7,75Gd-7,75Y)0 (60-70 мкм).
Испытания на изотермическую жаростойкость образцов из сплавов ВЖМ4 и ВЖМ5У с ТЗП проводили в камерной электропечи Nabertherm: в закрытых керамических тиглях в спокойной атмосфере печи (на воздухе) при температурах 1150 (500 ч) и 1200°С (100 ч) в соответствии с ГОСТ 6130. Оценка жаростойких свойств образцов из сплава ВЖМ4 и ВЖМ5У с ТЗП осуществлялась гравиметрическим методом путем их взвешивания в процессе испытаний и определения удельного изменения массы без учета массы окалины, осыпавшейся с поверхности. Измерение массы образцов проводилось после 25, 50, 100, 250 и 500 циклов испытаний. Удельное изменение массы образцов (AmT, г/м ) рассчитывалось по формуле
Amx=(mx-m0)/S,
где mT - масса образца после т часов испытаний, г; m0 - масса образца в исходном состоянии, г; S - площадь поверхности образца в исходном состоянии, м2.
Микроструктуру композиции «сплав-покрытие» исследовали на растровом электронном микроскопе FEI Inspect f50.
Результаты
Проведены металлографические (электронная микроскопия) и металлофизиче-ские (рентгенофазовый анализ) исследования образцов из сплавов ВЖМ4 и ВЖМ5У с теплозащитными покрытиями в исходном состоянии (рис. 2).
По результатам расшифровки дифрактограмм, полученных после рентгенофазо-вого анализа, установлено, что во всех исследованных образцах основной фазой в покрытии является тетрагональный оксид на основе системы Zr-Gd-Y, обеспечивающий стойкость к спеканию и длительную работоспособность керамического слоя при высоких температурах.
Методом растровой электронной микроскопии исследована микроструктура образцов из сплавов ВЖМ4 и ВЖМ5У с теплозащитными покрытиями. Показано, что в исходном состоянии керамический слой ТЗП имеет характерную столбчатую структуру. Результаты измерения толщин полученных защитных жаростойких и керамических слоев ТЗП, сформированных на образцах, приведены в табл. 1.
8 •С
Рис. 2. Микроструктура образцов из никелевых сплавов ВЖМ5У (а, в, д) и ВЖМ4 (б, г, е) с теплозащитными покрытиями (в исходном состоянии):
а, б - СДП-41+ВСДП-16+Т0+(Zr-7,75Gd-7,75Y)0; в, г - ВДСП-4+ВСДП-16+ТО+ВСДП-16+ +Т0+(Zr-7,75Gd-7,75Y)0; д, е - ВСДП-3+ВСДП-16+Т0+ВСДП-16+Т0+(Zr-7,75Gd-7,75Y)0
Таблица 1
Толщины защитных жаростойких покрытий_
Сплав Покрытие Толщина слоя, мкм
жаростойкого оксидного керамического
ВЖМ5У СДП-41 (80 мкм)+В СДП-16 (60 г/м2)+ +ТО+ВСДП-16 (35 г/м2)+ТО+ +(2г-7,75ва-7,75У)0 (60-70 мкм) 85 2-3 60
ВСДП-4 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+ +ТО+ВСДП-16 (35 г/м2)+ТО+ +(2г-7,75ва-7,75У)0 (60-70 мкм) 90 2-3 60
ВСДП-3 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+ +ТО+ВСДП-16 (35 г/м2)+ТО+ +(2г-7,75ва-7,75У)0 (60-70 мкм) 95 2-3 70
ВЖМ4 СДП-41 (80 мкм)+В СДП-16 (60 г/м2)+ +ТО+ВСДП-16 (35 г/м2)+ТО+ +(2г-7,75ва-7,75У)0 (60-70 мкм) 90 2-3 60
ВСДП-4 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+ +ТО+ВСДП-16 (35 г/м2)+ТО+ +(гг-7,75ва-7,75У)0 (60-70 мкм) 95 2-3 60
ВСДП-3 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+ +ТО+ВСДП-16 (35 г/м2)+ТО+ +(гг-7,75ва-7,75У)0 (60-70 мкм) 90 2-3 65
В результате проведенных исследований микроструктур образцов из сплавов ВЖМ4 и ВЖМ5У с ТЗП были получены данные о толщинах керамического, клеящего алюминидного и жаростойкого слоев. Толщина керамического слоя составляет 60-70 мкм, структура покрытия представляет собой направленные перпендикулярно к поверхности сплава выращенные в среде аргона и кислорода керамические столбцы на основе диоксида циркония, стабилизованного диоксидом иттрия и гадолиния. Толщина клеящего оксидного слоя на основе оксида алюминия, являющегося переходным между жаростойким и керамическим покрытиями, на всех образцах составляет 2-3 мкм. Толщина жаростойких слоев ТЗП составляет 80-90 мкм, покрытия имеют характерное двухзонное строение: верхний «темный» слой покрытия состоит из фазы Р-(№А1) - это большая часть покрытия с повышенным содержанием алюминия (20-25% (по массе)), которая обеспечивает защиту основы сплава от интенсивного окисления в процессе высокотемпературной эксплуатации, в «светлом» слое содержание алюминия составляет 10-15% (по массе).
Потери удельной массы образцов из сплава ВЖМ4 после 500 ч испытаний на изотермическую жаростойкость при 1150°С и 100 ч при 1200°С с теплозащитными покрытиями и без них приведены в табл. 2 и 3.
Таблица 2
Удельное изменение массы образцов из сплава ВЖМ4 с покрытиями и без них после испытаний на изотермическую жаростойкость при 1150°С в течение 500 ч
Покрытие Удельный унос, г/м2
Без покрытия 2694
СДП-41 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+ТО+ВСДП-16 (35 г/м2)+ТО+ +(гг-7,75ва-7,75У)0 (60-70 мкм) 50,4
ВСДП-4 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+ТО+ВСДП-16 (35 г/м2)+ТО+ +(гг-7,75ва-7,75У)0 (60-70 мкм) 38,8
ВСДП-3 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+ТО+ВСДП-16 (35 г/м2)+ТО+ +(гг-7,75ва-7,75У)0 (60-70 мкм) 137,5
Таблица 3
Удельное изменение массы образцов из сплава ВЖМ4 с покрытиями и без них после испытаний на изотермическую жаростойкость 1200°С в течение 100 ч_
Покрытие Удельный унос, г/м2
Без покрытия 1418
СДП-41 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+Т0+ВСДП-16 (35 г/м2)+Т0+ +(гг-7,75ва-7,75У)0 (60-70 мкм) 52,1
ВСДП-4 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+Т0+ВСДП-16 (35 г/м2)+Т0+ +(гг-7,75ва-7,75У)0 (60-70 мкм) 91,5*
ВСДП-3 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+Т0+ВСДП-16 (35 г/м2)+Т0+ +(гг-7,75ва-7,75У)0 (60-70 мкм) 227*
* Сколы керамического слоя на поверхности образца.
По результатам испытаний образцов из сплава ВЖМ4 с теплозащитными покрытиями на изотермическую жаростойкость при температурах 1150 и 1200°С высокими жаростойкими свойствами характеризуются покрытия СДП-41+В СДП-16+ +Т0+ВСДП-16+Т0+(2г-7,750ё-7,75У)0 и ВСДП-4+ВСДП-16+ТО+ВСДП-16+ТО+ +(2г-7,750ё-7,75У)0, обладающие наименьшим удельным уносом массы. После проведенной длительной высокотемпературной изотермической выдержки крупных сколов и отслоений поверхностного керамического слоя покрытия не обнаружено.
Потери удельной массы образцов из сплава ВЖМ5У после испытаний на изотермическую жаростойкость при 1150 (500 ч) и 1200°С (100 ч) с теплозащитными покрытиями и без них приведены в табл. 4 и 5.
Таблица 4
Удельное изменение массы образцов из сплава ВЖМ5У с покрытиями и без них после испытаний на изотермическую жаростойкость при 1150°С в течение 500 ч_
Покрытие Удельный унос, г/м2
Без покрытия 1254
СДП-41 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+Т0+ВСДП-16 (35 г/м2)+Т0+ +(гг-7,75ва-7,75У)0 (60-70 мкм) 55,2
ВСДП-4 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+Т0+ВСДП-16 (35 г/м2)+Т0+ +(гг-7,75ва-7,75У)0 (60-70 мкм) 270,1*
ВСДП-3 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+Т0+ВСДП-16 (35 г/м2)+Т0+ +(гг-7,75ва-7,75У)0 (60-70 мкм) 70,3
* Сколы керамического слоя на поверхности образца.
Таблица 5
Удельное изменение массы образцов из сплава ВЖМ5У с покрытиями и без них после испытаний на изотермическую жаростойкость при 1200°С в течение 100 ч_
Покрытие Удельный унос, г/м2
Без покрытия 798
СДП-41 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+Т0+ВСДП-16 (35 г/м2)+Т0+ +(гг-7,75ва-7,75У)0 (60-70 мкм) 131,9*
ВСДП-4 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+Т0+ВСДП-16 (35 г/м2)+Т0+ +(гг-7,75ва-7,75У)0 (60-70 мкм) 351,7**
ВСДП-3 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м2)+Т0+ВСДП-16 (35 г/м2)+Т0+ +(гг-7,75ва-7,75У)0 (60-70 мкм) 291,6** (скол после 80 ч)
* Небольшие сколы керамического слоя на поверхности образца. ** Скол керамического слоя со всей поверхности образца.
По результатам испытаний образцов из сплава ВЖМ5У с теплозащитными покрытиями на изотермическую и циклическую жаростойкость при температурах 1150 и 1200°С высокими жаростойкими свойствами характеризуется покрытие
СДП-41+ВСДП-16+Т0+ВСДП-16+Т0+(2г-7,750ё-7,75У)0, обладающее наименьшим удельным уносом массы. После проведенной длительной высокотемпературной изотермической выдержки крупных сколов и отслоений поверхностного керамического слоя покрытия не обнаружено.
Обсуждение и заключения
Проведены испытания на изотермическую жаростойкость образцов из сплавов ВЖМ4, ВЖМ5У с комплексными теплозащитными покрытиями при температурах 1150 и 1200°С на базе испытаний 500 и 100 ч соответственно.
По результатам проведенных исследований установлено:
- теплозащитные покрытия СДП-41 (Ni-Cr-Al-Y-Ta-Re-Hf)+BC,nn-16 (Al-Ni-Y)+ +ТО+ВСДП-16 (Al-Ni-Y)+TO+(zr-7,75Gd-7,75Y)O и ВСДП-4 (Ni-Cr-Al-Y-Hf)+ +ВСДП-16 (Al-Ni-Y)+TO+BC^-16 (Al-Ni-Y)+TO+(Zr-7,75Gd-7,75Y) обеспечивают длительную защиту сплава ВЖМ4;
- комплексное теплозащитное покрытие СДП-41 (№-Сг-А1^-Та-Ке-Н0+ВСДП-16 (А1-№^)+ТО+ВСДП-16 (Al-Ni-Y)+T0+(Zr-7,75Gd-7,75Y)0 обеспечивает длительную защиту сплава ВЖМ5У.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов Е.Н., Петрушки Н.В., Светлов И.Л., Демонис И.М. Никелевые литейные жаропрочные сплавы нового поколения // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 36-52.
2. Жаропрочный сплав на основе никеля: пат. 2402624 Рос. Федерация; опубл. 16.06.09.
3. Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него: пат. 2365656 Рос. Федерация; опубл. 30.01.08.
4. Петрушин Н.В., Оспенникова О.Г., Висик E.M. и др. Жаропрочные никелевые сплавы низкой плотности // Литейное производство. 2012. №6. С. 5-11.
5. Каблов Е.Н., Мубояджян С.А. Жаростойкие и теплозащитные покрытия для лопаток турбины высокого давления перспективных ГТД // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С.60-70.
6. Kablov E.N., Muboyadzhyan S.A. Heat-resistant coatings for the high-pressure turbine blades of promising GTES // Russian metallurgy (Metally). 2012. №1. P. 1-7.
7. Будиновский С.А., Матвеев П.В., Смирнов А.А. Исследование жаростойкости литейных жаропрочных никелевых сплавов в области температур 1000-1200°С // Авиационная промышленность. 2014. №2. С. 48-52.
8. Каблов Е.Н., Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Луценко А.Н. Ионно-плазменные защитные покрытия для лопаток газотурбинных двигателей // Металлы. 2007. №5. С. 23-34.
9. Muboyadzhyan S.A., Kablov E.N. Vacuum plasma technique of protective coatings production of complex alloys // Metal Sciens and Heat Treatment. 1995. №2. P. 15-18.
10. Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Гаямов А.М., Матвеев П.В. Высокотемпературные жаростойкие покрытия и жаростойкие слои для теплозащитных покрытий // Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 17-20.
11. Будиновский С.А., Мубояджян С.А., Гаямов А.М., Косьмин А.А. Жаростойкие ионно-плазменные покрытия для лопаток турбин из никелевых сплавов, легированных рением // МиТОМ. 2008. №6. С. 31-36.
12. Гаямов А.М., Будиновский С.А., Мубояджян С.А., Косьмин А.А. Выбор жаростойкого покрытия для жаропрочного никелевого рений-рутенийсодержащего сплава марки ВЖМ4 // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №1. Ст. 01. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 15.09.2015). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-1-1-1.
13. Чубаров Д.А., Будиновский С.А. Выбор керамического материала для теплозащитных покрытий лопаток авиационных турбин на рабочие температуры до 1400°С // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №4. Ст. 07. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 15.09.2015). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-4-7-7.
14. Чубаров Д.А., Матвеев П.В. Новые керамические материалы для теплозащитных покрытий рабочих лопаток ГТД // Авиационные материалы и технологии. 2013. №4. С. 43-46.
15. Каблов Е.Н., Мубояджян С.А. Теплозащитные покрытия для лопаток турбины высокого давления перспективных ГТД // Металлы. 2012. №1. С. 5-13.
16. Каблов Е.Н., Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Помелов Я.А. Ионно-плазменные защитные покрытия для лопаток газотурбинных двигателей // Конверсия в машиностроении. 1999. №2. С. 42-47.
17. 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.
18. Будиновский С.А., Мубояджян С.А., Гаямов А.М. Современное состояние и основные тенденции развития высокотемпературных теплозащитных покрытий для рабочих лопаток турбин авиационных ГТД // Авиационная промышленность. 2008. №4. С. 33-37.
19. Матвеев П.В., Будиновский С.А., Чубаров Д.А., Технология получения ионно-плазменных жаростойких подслоев с повышенным содержанием алюминия для перспективных ТЗП // Авиационные материалы и технологии. 2014. №S5. С. 56-60.
20. Матвеев П.В., Будиновский С.А., Чубаров Д.А. Современные способы нанесения теплозащитных покрытий на лопатки газотурбинных двигателей (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2014. №S5. С. 38-44.
