CC BY
72
УДК 629.7.023.224
В. С. Денисова1,*, Г. А. Соловьёва2, Л.А. Орлова1
1 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 , корп. 1
2 ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» ГНЦ РФ, Москва, Россия. 105005, Москва, ул. Радио, д. 17
* e-mail: [email protected]
СИНТЕЗ РЕСУРСНЫХ ЖАРОСТОЙКИХ ЭМАЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ СТЁКОЛ БАРИЙАЛЮМОСИЛИКАТНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
Изучена эффективность защитного действия ресурсных жаростойких покрытий на основе стёкол системы BaO-Al2O3-SiO2 для защиты жаропрочных никелевых сплавов от высокотемпературной газовой коррозии. Исследована жаростойкость сплава с покрытием при температуре 1200 оС. При исследовании жаростойкости сплава с покрытием показано снижение окисляемости при температуре 1200 оС примерно в 4 раза, что позволяет исключить обезлегирование сплава. Исследована микроструктура сплава после термообработки с покрытием и без покрытия.
Ключевые слова: ресурсные покрытия, никелевые сплавы, жаропрочность, высокотемпературная газовая коррозия.
В настоящее время прогресс в авиастроении во многом определяется возможностями материалов, используемых при создании авиационной техники нового поколения [1]. Жаропрочные металлы и сплавы являются основой при изготовлении деталей горячего тракта газотурбинных двигателей (камер сгорания, форсажных камер, жаровых труб). Повышенные температуры эксплуатации, обеспечивающие эффективному сгоранию топлива, требуют от материалов высокой жаропрочности, стойкости к окислению и коррозии в атмосфере воздуха. В связи с этим в авиастроении создаются и внедряются новейшие виды никелевых, титановых сплавов с более высокими физико-химическими и
механическими свойствами [2]. Однако, для них характерна высокая склонность к поверхностному окислению при повышенных температурах эксплуатации, при этом происходит обеднение сплавов легирующими добавками, меняется химический состав поверхностных слоёв сплавов, появляется окалина, состоящая из фаз переменного состава, образуются рыхлые подокалинные слои и зоны внутреннего окисления. С повышением температуры и продолжительности нагрева увеличивается окисляемость металла. В результате снижаются прочностные свойства сплавов.
В связи с этим всю большую значимость приобретают работы по созданию ресурсных высокотемпературных жаростойких эмалевых покрытий с повышенными температурами эксплуатации для защиты жаропрочных
никелевых сплавов от высокотемпературной газовой коррозии [1-5].
Высокотемпературные ресурсные покрытия позволяют регламентировать окисление поверхности металлов и являются барьером, исключающим влияние компонентов агрессивной газовой среды и продуктов сгорания топлива на поверхность сплавов. Ресурсные покрытия находят широкое применение в авиационной промышленности для защиты деталей из коррозионностойких сталей и жаропрочных сплавов от высокотемпературной газовой коррозии, что позволяет повысить ресурс эксплуатации и надежность изделий авиационной техники в 1,5-2 раза [3].
Большинство ресурсных жаростойких покрытий созданы на основе нескольких стеклообразующих систем [6, 7]. Одной из наиболее перспективных является система BaO-Al2Oз-SiO2. Однако существующие на её основе защитные эмалевые покрытия имеют температуру эксплуатации, не превышающую 1000 оС, что сегодня не удовлетворяет растущие требования авиастроения. Одним из направлений синтеза ресурсных покрытий с температурами эксплуатации выше 1000 оС является повышение высокотемпературной вязкости системы, что может быть реализовано двумя способами: за счёт модифицирования химического состава фритты путём увеличения содержания тугоплавких компонентов (в частности, Al2O3) или за счёт дополнительного введения в состав шликера тугоплавких модифицирующих добавков. Использование тугоплавких фритт с высоким содержанием Al2O3 открывает возможности
регулирования процесса вязкого течения в системе покрытия путем изменения в нем структурного состояния иона А13+ за счет введения компонентов, способствующих созданию единого структурного каркаса [8].
В данной работе для защиты никелевых сплавов от высокотемпературной газовой коррозии синтезированы стеклокристаллические эмалевые покрытия на основе стёкол системы ВаО-А12О3-БЮ2 с повышенным содержанием АЬОз от 20 до 30 масс. %. Для определения эффективности способа введения тугоплавких компонентов в состав покрытий при помоле введены тугоплавкие модифицирующие добавки, такие, как АЬОз, &2О3, а также борид кремния Б1В4, который позволяет реализовать так называемый эффект реакционного отверждения и снизить температуру формирования покрытий за счёт образования легкоплавкой фазы [3].
В таблице 1 приведены составы покрытий на основе фритт различной тугоплавкости и с различным содержанием модифицирующих тугоплавких добавок. Данные составы выбраны с целью изучения эффективности введения А12О3 в состав фритт или при помоле шликера.
Таблица 1
Экспериментальные составы покрытий
№ Содержание А12О3 в Содержание модифицирующих
покры- составе добавок, введённых в
тия стекла, % состав шликера, % масс.
масс. А12О3 8Ш4 СГ2О3
1 30 - -
2 30 - 1 5
3 20 15 -
4 20 15 1
Экспериментальные покрытия были получены по шликерно-обжиговой технологии. Исследование влияния борида кремния Б1В4 на температуру формирования покрытий показало, что введение борида кремния до 1 % масс. значительно снижает температуру обжига покрытий. Так, температура формирования покрытия № 2 по сравнению с покрытием № 1 с 1240 оС до 1200 оС. Значительно снизилась температура формирования покрытия №4 по сравнению с покрытием № 3 с 1220 оС до 1190 оС, при этом время обжига сократилось с 5 до 3 минут. Таким образом, введение борида кремния обеспечивает снижение температуры
формирования и позволяет улучшить технологические свойства покрытий за счёт эффекта реакционного отверждения.
Жаростойкость покрытий № 2 и № 4 определена при температуре 1200 оС в течение 10 часов согласно ГОСТ 9.312. Критерием оценки является привес образцов сплава с покрытием и без покрытия [9]. Испытанию подвергались образцы 10х10х1,5 мм с нанесенным покрытием толщиной 60 мкм. По результатам испытаний получены данные по кинетике окисления сплава с
покрытием. Установлена параболическая зависимость окисления никелевого сплава при нагреве. С увеличением температуры нагрева происходит резкое снижение жаростойкости сплава, связанное с изменением состава окисной плёнки.
На рис. 1 приведены данные по кинетике окисления никелевого сплава без покрытия, с покрытием № 2 и с покрытием № 4. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности защитного действия покрытия на жаропрочном никелевом сплаве при температуре 1200 оС -наблюдается снижение окисляемости примерно в 4 раза, что позволяет исключить обезлегирование сплава. Таким образом, показано, что применение синтезированных в данной работе ресурсных жаростойких покрытий повышает стойкость никелевого сплава к газовой коррозии при температуре 1200 °С.
Продолжительность н<|| рева, ч
Рис. 1. Окисляемость сплава с покрытием и без покрытия при температуре 1200оС Для подтверждения полученных в ходе исследования жаростойкости результатов изучена микроструктура сплава с покрытием № 4 и без покрытия с помощью металлографического микроскопа ММ-0204 на поперечных шлифах, при этом для выявления структуры сплава проведено электролитическое травление специальным реактивом. Изучение
микроструктуры позволяет судить о защитных свойствах покрытия, наличии и глубине обеднённого слоя.
На рис. 2 приведены данные металлографических исследований
микроструктуры образцов сплава с покрытием и без покрытия после термообработки при температуре 1200оС в течение 10 часов. На рис. 2а изображена микроструктура образца сплава без покрытия. При термообработке имеет место частичное окисление сплава и, как следствие, снижение концентрации легирующих элементов на поверхности и уменьшение содержания упрочняющей фазы №3А1 и разупрочнению поверхностного слоя. Данный тип структуры
указывает на отсутствие упрочняющей фазы никелевого сплава в поверхностном слое образца. На рис. 2б изображена микроструктура образца сплава с покрытием после термообработки. Показано, что после термообработки изменения структуры металла и образования дефектного рыхлого слоя не происходит.
По данным рентгенофазового анализа после термообработки при температуре 1200оС в течение 10 часов отмечается появление кристаллической фазы в виде оксида хрома Cr2Oз и сложных тугоплавких силикатных соединений -кианита Al2SiO5 и цельзиана BaAl2Si2O8, что положительно сказывается на жаростойкости покрытия. С увеличением времени выдержки растёт интенсивность кристаллических фаз на дифрактограммах, т.е. процесс кристаллизации проходит более интенсивно, в большем объёме.
Согласно полученным результатам, наиболее эффективным способом повышения высокотемпературной вязкости системы покрытия, и, соответственно, температуры эксплуатации, является введение тугоплавких модифицирующих добавок в состав фритт. При этом окисляемость сплава с покрытием на основе тугоплавких фритт почти в 2 раза меньше, чем сплава с покрытием с повышенным содержанием тугоплавких модифицирующих добавок, в данном случае, оксида алюминия (рис. 1).
Таким образом, основываясь на результатах исследований эффективности защитного действия синтезированных покрытий можно сделать вывод о перспективности ресурсных стеклокристаллических эмалевых покрытий на основе стёкол системы BaO-Al2O3-SiO2 для защиты жаропрочных никелевых сплавов от высокотемпературной газовой коррозии при повышенных температурах эксплуатации. летательных аппаратов.
Применение покрытий позволяет снизить окисляемость жаропрочных никелевых сплавов почти в 4 раза, что позволит обеспечить работоспособность узлов и деталей
газотурбинных двигателей современных летательных аппаратов.
Х- •' ■•-. ..у- ; ч
- "iv> . >
300х
без покрытия
с *
б,300х
с покрытием
Рис. 2. Микрофотографии образца никелевого сплава после испытаний при Т = 1200оС, 10 ч
Денисова Валентина Сергеевна студент кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Соловьёва Галина Анатольевн, ведущий инженер ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ, Россия, Москва
Орлова Людмила Алексеевн, к.т.н., главный специалист кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
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. Каблов Е.Н. Авиакосмическое материаловедение // Все материалы. Энциклопедический справочник. - 2008. - № 3. - С. 2-14.
3. Солнцев С.С. Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали. - М.: Машиностроение. - 1984. - 256 с.
4. Солнцев С.С. Защитные покрытия металлов при нагреве. - М.: Машиностроение. - 1976. - 240 с.
5. Солнцев С.С., Розененкова В.А., Миронова Н.А., Соловьева Г.А. Высокотемпературные покрытия для волокнистых субстратов // Труды ВИАМ. - 2013. - №10.
6. Солнцев Ст.С. Высокотемпературные композиционные материалы и покрытия на основе стекла и керамики // В сб. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007: Юбилейный науч.-технич. сб. М.: ВИАМ. - 2007. - С. 90-99
7. Солнцев С.С., Розененкова В.А., Миронова Н.А. / Высокотемпературные стеклокерамические покрытия и композиционные материалы // Авиационные материалы и технологии. 2012. - № S.
- С. 359-368
8. Павлушкин Н.М., Сентюрин Г.Г., Ходаковская Р.Я. Практикум по технологии стекла и ситаллов
- М.: Стройиздат. - 1970. - 297 с.
9. ГОСТ 9.312-89. Покрытия защитные. Методы определения жаростойкости. - С. 9.
Denisova Valentina Sergeevna1*, Solovyeva Galina Anatolyeva2, Orlova Luydmila Alekseevna1
1 D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
2 FSUE „All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials", Moscow, Russia * e-mail: [email protected]
SYNTHESIS OF HEAT-RESISTANT ENAMEL COATINGS BASED ON GLASSES IN BaO-AhO3-SiO2 SYSTEM FOR NICKEL ALLOYS PROTECTION
Abstract
The efficiency of the protective action of heat-resistant coatings based on glasses in system BaO-Al2O3-SiO2 for protection of heat-resistant nickel alloys from gas corrosion influence is studied. The oxidation level decrease for about 4 times was achieved, so the alloying elements lose may be neutralized. Microstructure of alloy after heat treatment with coating and without coating was studied.
Key words: heat-resistant coatings, nickel alloy, heat resistance, high-temperature gas corrosion.
