CC BY
103
УДК 621.431.75+ 621.793. 7
УПРАВЛЕНИЕ СВОЙСТВАМИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ ДЕТАЛЕЙ ГТД
© 2012 В. А. Барвинок, В. И. Богданович, И. А. Докукина, В. М. Карасёв
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва
(национальный исследовательский университет)
Представлены результаты исследований методов получения теплозащитных покрытий с заданной структурой. Показано влияние структуры теплозащитных покрытий на их свойства и определены пути повышения их эксплуатационных характеристик.
Теплозащитные плазменные покрытия, структура, свойства.
В настоящее время повышение ресурса деталей горячего тракта газотурбинных двигателей (ГТД) неразрывно связано с созданием высокоэффективной системы теплозащитных покрытий (ТЗП). Интерес к ним возрос в последние годы, когда были созданы более совершенные ГТД с температурой газа, близкой или превышающей температурный максимум работы существующих жаропрочных сплавов, сконструировано совершенное оборудование и получены промышленные напыляемые материалы. ТЗП успешно применяются для защиты лопаток первой ступени турбины, жаровых труб, камер сгорания. Однако имеющиеся резервы повышения эффективности ТЗП использованы далеко не в полной мере. Одним из резервов является управление структурой ТЗП на стадии формирования покрытия и последующей обработки готового изделия [1,2].
Известно, что детали горячего тракта газотурбинных двигателей находятся в наиболее сложных температурных условиях эксплуатации по сравнению с другими деталями машиностроения и фактически определяют ресурс двигателя [3]. Потеря работоспособности охлаждаемых лопаток из жаропрочных конструкционных сплавов, камер сгорания и жаровых труб происходит из-за высокотемпературной газовой коррозии поверхности с последующим развитием межкристаллитной коррозии и усталостных трещин в условиях высокотемпературной и механической активации. Поиск решения этой проблемы привёл к созданию материала защитного покрытия состава №-Со-Сг-А1-У, которое получило название металлокерамического и в течение достаточно длительного периода было основным тепло-
защитным покрытием для деталей с не очень высокой температурой эксплуатации.
Основу материала составляют компоненты жаропрочного сплава (N¡-0), что минимизирует изменение коэффициента термического расширения, а дополнительные компоненты (А1-У) должны образовывать стойкие высокотемпературные окислы на поверхности после рекристаллизацион-ного отжига [2]. Процессы диффузии, образования и восстановления окисла алюминия, стабилизированного окислом иттрия, продолжаются и при его эрозионном износе с поверхности при эксплуатации. Таким образом, в этой системе реализуется плавное изменение величины коэффициента термического расширения от значений, близких к значениям жаропрочного сплава, до значений, близких к значениям окисла. Ресурс металлокерамического покрытия исчерпывается при уменьшении концентрации А1 и У в материале ниже некоторой критической величины, при которой не образуется сплошное покрытие из окисла и начинается интенсивная высокотемпературная коррозия оставшихся компонентов материала. Поэтому ресурс фактически определяется толщиной покрытия, так как повышение концентрации А1 выше 13% и У выше 0,6% оказалось неэффективным. Увеличение толщины металлокерамического покрытия выше некоторых критических значений приводит к снижению предела выносливости системы «покрытие-основа». С помощью специальных технологических приёмов удаётся частично нивелировать этот эффект, но создание двигателей новых поколений с большими температурами в камере сгорания потребовало новых систем многослойных теплозащитных покрытий [4].
В настоящее время наибольшую эффективность показало покрытие, состоящее из внешнего керамического слоя окисла Zr02, стабилизированногоУгОз, и промежуточного металлокерамического покрытия состава №-Со-Сг-А1-У с различным содержанием компонентов. Данное покрытие получают электронно-лучевым и плазменным газотермическим методами (керамические и металлокерамические покрытия), а также вакуумной плазменной технологией высоких энергий (металлокерамические покрытия) [1]. Характерная структура плазменного газотермического покрытия толщиной
0,3...0,6 мм имеет слоистый характер и состоит из дискообразных кристаллитов, расположенных вдоль поверхности конструкционного материала, горизонтальных и вертикальных границ между кристаллитами и микропустот (закрытых пор), расположенных в области вертикальных границ кристаллитов (рис. 1, а,б). Толщина каждого дискообразного кристаллита составляет (2-10) мкм и в (10-20) раз меньше его характерного горизонтального размера. Вертикальные границы кристаллитов ограничены с двух сторон монолитным материалом других дискообразных кристаллитов. В связи с этим покрытие не имеет сквозных пор, а процентное содержание закрытой пористости варьируется режимами напыления в пределах (2-12)%. Практика показывает, что такие покрытия из соответствующих материалов гарантируют эффективную защиту конструкционных материалов от коррозии, в том числе и от высокотемпературной газовой коррозии. Адгезионная и когезионная прочность покрытия на сжатие и сдвиг значительно превышает аналогичные показатели прочности покрытия на растяжение. Однако, как показывает практика, адгезионная прочность покрытия на отрыв, диагностируемая величиной (25-45) МПа, и когезионная прочность на растяжение, составляющая только (0,4-0,8) прочности монолитного материала, обеспечивают их работоспособность во всех известных случаях сложного высоконагру-женного применения из-за их эксплуатации в условиях действия сжимающих или сдвигающих внешних механических усилий. Одной из главных особенностей такой структуры плазменных покрытий является её
высокая демпфирующая способность к знакопеременным механическим и температурным напряжениям, а также способность локализовать усталостные повреждения и микротрещины внутри зерна кристаллита, не давая им возможности прорасти до конструкционного материала основы.
Такая структура плазменных покрытий кардинально отличается от структуры покрытий, получаемых осаждением атомарных и ионных потоков в вакууме (термическое, электронно-лучевое или ионно-плазменное осаждение) или атомарных потоков в галь-ванохимических методах (рис. 1, в,г). В этом случае микроструктура покрытий имеет столбчатый характер. Каждый отдельный столб структуры состоит из нескольких кристаллитов меньшего диаметра (рис. 1, г, границы столбов показаны сплошной линией, а кристаллитов - пунктирной). Границы между столбами и кристаллитами начинаются на поверхности покрытия и заканчиваются на поверхности основы, причём когезионная прочность между кристаллитами существенно выше когезионной прочности между столбами структуры. Физическая причина появления такой столбчатой структуры объясняется технологической наследственностью при встраивании адсорбированных атомов в активные центры роста кристаллической фазы покрытия [5]. Наличие в их структуре вертикальных границ приводит к созданию каналов для проникновения ионов кислорода и других химических элементов к защищаемым конструкционным материалам, а сами вертикальные границы столбов при толщинах более (5-10) мкм являются причиной снижения предела выносливости изделия с покрытием по сравнению с изделием без покрытия.
Структура плазменных газотермических покрытий также существенно отличается от структуры монолитных конструкционных материалов, состоящих из объёмных кристаллитов с высокой прочностью их связи между собой через общие границы. Такие высокопрочные границы между кристаллитами, часто содержащие выделения различных фаз, не ограничивают рост усталостных микротрещин, а только в ряде случаев тормозят их разрастание.
а
б
Рис. 1. Структура плазменного газотермического покрытия (а) и покрытия, полученного конденсацией атомарного потока (электронно-лучевое напыление) (в), и схемы расположения кристаллитов в их структуре (б, г)
Структуру, подобную слоистой дискообразной структуре плазменных покрытий, часто создают в приповерхностном слое изделий для повышения их предела выносливости, обрабатывая поверхность методами
поверхностного пластического деформирования. Однако возможности этих методов в создании дискообразных кристаллитов в монолитных материалах существенно меньше, чем возможности метода осаждения плазменных покрытий из порошковых материалов. Хотя наводимые методами поверхностного пластического деформирования сжимающие остаточные напряжения сами являются эффективным приёмом повышения выносливости изделий, и эти методы можно использовать для отдельных видов плазменных покрытий.
Часто при разработке плазменных покрытий встречается мнение о необходимости повышения качества плазменных покрытий за счёт их уплотнения и создания беспорис-тых структур. Наш опыт показывает [6], что такая структура эффективна только в качестве небольшого по толщине слоя на типовой структуре плазменного покрытия специального назначения (например, теплозащитного), так как беспористая монолитная структура по всей толщине плазменного покрытия приводит к существенному снижению его долговечности эксплуатации при знакопеременных механических и термических напряжениях по сравнению с типовой структурой покрытия
Физическая природа образования слоистой структуры из дискообразных кристаллитов при получении плазменных покрытий связана с последовательным осаждением ускоренных и нагретых в плазменной струе частиц порошкового материала, которые из-за удара о поверхность и последующей пластической деформации приобретают дискообразную форму[6, 7] .
Кроме того, плазменные газотермические покрытия [1,8] за счёт своей микроструктуры обеспечивают значительно лучшую тепловую защиту. Поры в покрытиях, получаемых плазменным напылением, относительно крупные, имеют дискообразную форму и расположены параллельно поверхности основы. Поры в покрытиях, полученных методом осаждения из атомных потоков, мелкие, удлинённые и располагаются перпендикулярно к поверхности основы в вытянутых колоннообразных столбах. Экспериментально установлено, что плазменные газотермические покрытия обеспечивают меньшую теплопроводность, чем теплозащитные покрытия, полученные методом осаждения из атомных потоков (рис.2).
Я,
Вт/(м К) 2,0
1,0
0,0
10 20 30 40 П, %
а
Тепловой поток X I 1 I X I I I X
X,
Вт/(м-К)
2,0
1,0
0,0
1 2 3 4 П, %
б
Рис. 2. Влияние объёма и морфологии пор покрытий на теплопроводность покрытий из оксида циркония, стабилизированного 6-8% оксидом иттрия: а- эксперимент, б- расчёт
В настоящее время теплозащитные покрытия на деталях горячего тракта газотурбинных двигателей получают в виде слоев металлокерамического покрытия толщиной
100... 150 мкм из порошка Ме-Сг-А1-У дисперсностью 60-100 мкм и внешнего слоя керамического покрытия толщиной 150...350 мкм из порошка Хг02-^20ъ [3].
Существующее оборудование, особенности получения и хранения порошковых материалов, особенности его нагрева и транспортировки в плазменной струе, а также особенности его взаимодействия с поверхностью основы предопределили используемый диапазон дисперсности этих порошков, составляющий 20...80 мкм. Исследование свойств плазменных покрытий в зависимости от используемой дисперсности порошка 20...80 мкм показывает, что с уменьшением дисперсности улучшается заполнение покрытия, растёт его плотность, уменьшается пористость, а структура делается более однородной. Однако порошковые материалы с дисперсностью менее 20 мкм при хранении из-за влажности, развитой поверхности и сил молекулярного сцепления обра-
Тепловой ПОТОК ..
1Ш1Ш1 9=90,3е......-
Расположение пор перпендикулярно тепловому потоку
зуют конгломераты, состоящие из различно-го числа мелких частиц. Это приводит к нестабильному расходу порошкового материала при его подаче в зону нагрева. В связи с очень коротким временем нахождения конгломератов в ядре плазменной струи составляющие их частицы приобретают существенно разные скорости и температуры и вследствие этого образуют покрытия с большим разбросом эксплуатационных свойств. Кроме того, мелкие частицы в силу своей малой инертности увлекаются около поверхности напыления газовым потоком, обтекающим эту поверхность, и либо не попадают на неё, либо попадают под большими углами падения. Это приводит к снижению адгезионной и когезионной прочности покрытия, повышению её пористости и к малым значениям коэффициента использования материалов.
В связи с этим решение задачи об уплотнении верхнего слоя керамического покрытия потребовало создания технологии подготовки мелких порошков перед напылением, разработку специальных ультразвуковых дозаторов и специальных плазмотронов, а также оптимизацию режимов напыления, особенно по расходу плазмообразующих газов и дистанции напыления.
Исследования проводились с использованием фракций 20...40 мкм, 40...60 мкм и 40-80 мкм порошка Хг02+^20ъ. Использование порошка фракции 20...40 мкм снизило величину открытой пористости почти в 3 раза и уменьшило величину общей пористости, определяемой на металлографических шлифах, до 4% (рис.3,4).
Исследования прочности плазменных теплозащитных покрытий, напылённых из порошков различной грануляции, при дистанциях напыления 40-80 мм показали, что при всех режимах адгезионная прочность покрытия на отрыв диагностируется на уровне (28-35) МПа, что обеспечивает работоспособность покрытия.
Испытания на термическую усталость показали, что покрытие из порошка фракции 40-60 мкм обладает лучшими показателями, чем покрытие из мелкой фракции. Это связано с большей демпфирующей способностью напылённого слоя. Повышение пористости покрытия до 10-12% приводит к снижению защитных свойств покрытия, а следовательно, и к снижению показателей термической усталости (рис.5).
а
б
е
Рис 3. Микроструктура покрытий, напылённых из порошков различной грануляции: а- грануляция 20-40 мкм; б - грануляция порошка 40-60 мкм; в - грануляция порошка 60-80 мкм
Рис 4. Зависимость пористости плазменного теплозащитного покрытия от дистанции напыления:
1 -грануляция 60-80 мкм; 2 -грануляция порошка 40-60 мкм; 3-грануляция порошка 20-40 мкм
Установлено также, что повышение плотности покрытий и прочности межзёрен-ных границ во всем объёме системы приводит к снижению термовыносливости и пре-
дела выносливости за счёт понижения демпфирующих свойств слоёв теплозщит-ного покрытия. Следовательно, требуется соблюдение определённого компромисса в структуре системы для повышения её стойкости против развития высокотемпературной газовой коррозии в объёме и повышения её стойкости к многоцикловым переменным термическим и механическим нагружениям.
Дистанция напыления, мм
Рис 5. Зависимость количества циклов до разрушения N плазменного теплозащитного покрытия при испытании на термическую усталость от дистанции напыления:
1 - грануляция 60-80 мкм; 2 -грануляция порошка 40-
60 мкм; 3- грануляция порошка 20-40 мкм
Учитывая высокую перспективность описанной системы теплозащитных покрытий для авиационных двигателей новых поколений с существенно более высокими температурами в камере сгорания, а также рассмотренные механизмы снижения ресурса покрытий, были проведены исследования по дальнейшему их совершенствованию. В основу исследований и разработок была заложена идея о возможности существенного повышения стойкости покрытий против высокотемпературной газовой коррозии за счёт создания на внешней поверхности более плотного мелкозернистого слоя с отсутствием сквозных границ [2]. При этом структура оставшейся части слоя керамического покрытия и металлокерамического покрытия не должна существенно измениться, чтобы не потерять своих демпфирующих свойств.
Создание такой структуры теплозащитных покрытий возможно на сформированном покрытии за счёт мощных импульсных тепловых воздействий, а на
формирующемся покрытии за счёт использования более мелких порошков при плазменном газотермическом напылении (рис.6). Способ получения покрытия указанной структуры защищён патентом [9].
б
Рис. 6. Структура теплозащитного покрытия, полученная плазменным газотермическим осаждением порошкового материала (а) и её изменение при введении мелкодисперсных порошков на завершающей стадии формирования внешнего слоя (б); увеличение х500
Покрытия прошли серию стандартных испытаний и без снижения термовыносливости, длительной прочности и предела выносливости по сравнению с покрытиями, получаемыми по ранее разработанной технологии, и дали повышение жаростойкости почти на 40%.
В целом в большинстве решаемых этим методом технических задач не стоит вопрос о необходимости кардинального перехода на более мелкие фракции. В связи с этим сформулированная ранее задача является достаточно специфической, но очень важной с практической точки зрения и может принести существенный экономический эффект при освоении технологии в производстве за счёт простоты, низкой энергоёмкости и высокой производительности. Таким образом, на примере теплозащитных покрытий для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей показано, что материалы с
плотной мелкокристаллической структурой могут служить существенным резервом в повышении работоспособности этих изделий только при их обоснованном и рациональном применении. Рациональная область их применения для ТЗП определяется внешней частью керамического слоя.
Приведённые результаты показывают перспективность исследований и разработок в этом направлении.
Данная работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.
Библиографический список
1. Барвинок, В.А. Плазма в технологии, надёжность, ресурс [Текст] / В. А. Барвинок.
- М.: Наука и технологии, 2005. - 456с.
2. Барвинок, В.А. Структурное упрочнение поверхности теплозащитных покрытий [Текст] / В.А. Барвинок // Проблемы машиностроения и автоматизации,- 2007. - №6. -С.73-80.
3.Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей [Текст] / под ред. А.Г. Братухина, Г.К. Язова, Б.Е. Карасева. - М.: Машиностроение, 1997. - 408 с.
4. Управление технологическими процессами плазменного и ионно-плазменного напыления при нанесении покрытий на детали летательных аппаратов и двигателей [Текст] / В.А. Барвинок, В.И. Богданович, И.А. Докукина [и др.] // Проблемы машиностроения и автоматизации, 2001. - №4,-С.63-68.
5. Барвинок, В.А. Физические основы и математическое моделирование процессов вакуумного ионно-плазменного напыления [Текст] / В.А. Барвинок, В.И. Богданович.-М.: Машиностроение, 1999. - 310 с.
6. Докукина, И. А. Теоретические исследования формирования мезоструктурноупо-рядоченных кластерных структур в плазменных покрытиях [Текст] / И. А. Докукина // Проблемы машиностроения и автоматизации. - 2009. - №4.
7. Барвинок, В.А. Физическое и математическое моделирование динамики движения дисперсных частиц в плазменной струе [Текст] / В.А. Барвинок, В.И.Богданович, И.А. Докукина // Изв. СНЦ РАН. - 2008. -Т.З. -С. 83-96.
8. Абусдель, А.М. Применение термобарьерных покрытий в современных газовых турбинах [Текст]: T.I. Термобарьерный слой
/ А.М. Абусдель, Т.А. Ильинкова, А.Н. Лунев // Изв. вузов. Авиац. техн. - 2005. - №1.
- С. 60-64.
9. Пат. № 2359065 РФ МПК7 С 23 С 4/12. Способ нанесения на детали теплозащитного
покрытия плазменным методом / Барвинок В.А., Богданович В.И., Докукина И.А. [и др.]; заявитель и патентообладатель Самар, гос. аэрокосм. ун-т. - №2007125447/02; заявл.
05.07.07., опубл. 20.06.09, Бюл. № 17. - 13 с.
MANAGEMENT OF PROPERTIES OF HEAT-SHIELDING PLASMA COVERINGS OF DETAILS OF GAS-TURBINE ENGINES
©2012 V. A. Barvinok, V. I. Bogdanovich, I. A. Dokukina, V. M. Karasyov
Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University)
The results of the research methods for thermal barrier coatings with a given structure. The influence of the structure of thermal barrier coatings on their properties and identify ways to improve their performance.
Heatcover plasma coverages, structure, properties.
Информация об авторах
Барвинок Виталий Алексеевич, член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой производства летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: barvi-nok@ssau.ru; bogdanovich@ssau.ru. Область научных интересов: физика плазмы, математическое моделирование, тепловые процессы, деформационные процессы, газотермическое напыление, вакуумное напыление, надёжность, ресурс, авиакосмическая техника.
Богданович Валерий Иосифович, доктор технических наук, профессор кафедры производства летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: barvinok@ssau.ru; bogdanovich@ssau.ru. Область научных интересов: плазма, плазменные покрытия, скорость реакций, упорядоченные структуры с заданным свойством, гетерогенные процессы, математическое моделирование, надёжность.
Докукина Ирина Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры производства летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: barvinok@ssau.ru. Область научных интересов: плазма, плазменные покрытия, упорядоченные структуры с заданным свойством, математическое моделирование.
Карасёв Вячеслав Михайлович, доцент кафедры производства летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении, Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: barvinok@ssau.ru. Область научных интересов: плазма, плазменные покрытия, упорядоченные структуры с заданным свойством, математическое моделирование.
Barvinok Vitaly Alekseevich, Corresponding Member of the RAS, Doctor of Technical Sciences, professor, chief of the Department of air and space craft manufacture and quality management in engineering at Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: barvinok@ssau.ru. Area of research: physics of plasma, mathematical modeling, thermal processes, deformation processes, gas-thermal spraying, vacuum spraying, reliability, a resource, the avia-space technics.
Bogdanovich Valery Iosifovich, Doctor of Technical Sciences, professor of the Department
of air and space craft manufacture and quality management in engineering at Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: bogdanovich@ssau.ru. Area of research: plasma, plasma coverings, speed of the reactions, the ordered structures with the set property, heterogeneous processes, mathematical modelling, reliability.
Dokukina Irina Aleksandrovna, Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Department of air and space craft manufacture and quality management in engineering. Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: barvinok@,ssau.ru. Area of research: plasma, plasma coverings, the ordered structures with the set property, mathematical modeling.
Karasyov Vyacheslav Mikhailovich, associate professor of the Department of air and space craft manufacture and quality management in engineering. Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: barvinok@ssau.ru. Area of research: plasma, plasma coverings, the ordered structures with the set property, mathematical modeling.
