CC BY
126
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
СВАРКА, РОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ТЕХНОЛОГИИ
Береговский, В.В.,
заместитель генерального директора, Открытое акционерное общество «Научно-производственное объединение «Центральный научноисследовательский институт технологии машиностроения», ОАО «НПО «ЦНИИТМАШ»
Beregovsky, V.V., Арутюнова, И.Ф.,
кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Открытое акционерное общество «Научно-производственное объединение «Центральный научноисследовательский институт технологии машиностроения», ОАО «НПО «ЦНИИТМАШ»
Arutyunova, I.F.,
ВЛИЯНИЕ ЖАРОСТОЙКОГО ПОДСЛОЯ ТЕРМОБАРЬЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ НА МЕХАНИЧЕСКУЮ УСТАЛОСТЬ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ
Аннотация. В статье рассматриваются защитные или упрочняющие покрытия детали газотурбинных двигателей пятого поколения, что в значительной мере определяет ресурс и надежность турбины, а также технологическое совершенство двигателя. Критичными характеристиками применяемых материалов рабочих и сопловых лопаток, лимитирующими максимальные параметры турбины, являются жаропрочность и жаростойкость.
Автор анализирует минимизацию влияния термобарьерного покрытия на служебные свойства материала лопаток турбин.
EFFECT OF HEAT-RESISTANT COATINGS THERMAL BARRIER SUBLAYER MECHANICAL FATIGUE HEAT-RESISTANT ALLOYS
SUMMARY. The article deals with the protective coating or reinforcing components of gas turbine engines of the fifth generation, which largely determines the life and reliability of the turbine, and technological co-vershenstvo engine. Critical characteristics of materials used rotor and nozzle blades, limiting the maximum parameters of the turbine are high-temperature strength and heat resistance.
The author analyzes the effect of minimizing the thermal barrier coating on the service properties of the material of turbine blades.
Ключевые слова: газовая турбина, газотурбинный двигатель, жаропрочный сплав, термобарьерное покрытие, легирование, адгезионная прочность, лопатки турбины.
Keywords: gas turbine, gas turbine engine superalloys, thermal barrier coating, doping, adhesive strength, the turbine blades.
Постоянное совершенствование газовых турбин одним из основных требований выдвигает увеличение температуры газа перед турбиной. Так, в авиационных газотурбинных двигателях (ГТД) эта температура за 25 лет повысилась с 1100-1300° С (четвертое поколение ГТД - 80-е годы) до 1500-1650° С (пятое поколение - современные ГТД). В таких условиях критичными характеристиками применяемых материалов рабочих и сопловых лопаток, лимитирующими максимальные параметры турбины, наряду с жаропрочностью является их жаростойкость. К сожалению, методами объёмного легирования достичь одинаково высоких значений этих двух важнейших характеристик в одном материале не удаётся, поэтому наиболее нагруженные лопатки изготавливают в виде композиции из жаропрочного сплава и защитного жаростойкого и/или теплозащитного термобарьерного покрытия. Сейчас практически все детали ГТД пятого поколения имеют защитные или упрочняющие покрытия. Они в значительной мере определяют ресурс и надежность турбины, а также технологическое совершенство двигателя.
Термобарьерые покрытия на основе композиции ZrO2-Y2O3 нашли широкое применение в авиационных двигателях, судовых и промышленных турбинах для защиты лопаточного аппарата и камер сгорания от воздействия повышенной температуры рабочего газа [1, 2, 3].
Однако, керамический слой композиции ZrO2-Y2O3, нанесенный непосредственно на поверхность жаропрочного сплава, не обладает необходимой долговечностью, имеет высокую твердость, что приводит к опасности возникновения усталостных трещин и, как следствие, снижению усталостных характеристик самих лопаток.
Проникновение кислорода через керамический слой к поверхности жаропрочного сплава приводит к ее быстрому окислению и к скалыванию керамического слоя. Поэтому, как правило, теплозащитное покрытие состоит не менее чем из двух слоев: внешнего керамического и внутреннего жаростойкого. В зависимости от опыта применения защитных покрытий для конкретного двигателя, от требований к физико-механическим свойствам и защитным функциям подслоя, это может быть диффузионное алюминидное покрытие, легированное кремнием (Al-Si), хромом (Al-Cr), платиной (Al-Pt); во многих случаях в качестве
подслоя для керамического покрытия используется четырехкомпонентный жаростойкий сплав системы Me-Cг-Al-Y, где Ме - это ^, N1 Оэ-М.
К свойствам подслоя предъявляются те же требования, что и к свойствам жаростойких защитных покрытий. Существуют и специфические требования к подслою: подслой обязательно должен обладать высокой жаростойкостью, оксиды, образующиеся на его поверхности, должны иметь высокую прочность связи с подслоем и внешним керамическим слоем. Одним из главных моментов, определяющих успех в создании теплозащитных покрытий, является получение необходимой адгезионной прочности между керамическим слоем и жаростойким металлическим подслоем, обеспечивающей сохранение керамики на поверхности лопатки в течение всего времени эксплуатации. При выборе состава подслоя следует обратить внимание на концентрацию в них иттрия или других элементов, обеспечивающих высокое сцепление оксидов с поверхностью. Это особенно важно в случае нанесения подслоя ионновакуумным методом (PVD), при котором концентрация иттрия в подслое может быть значительно ниже требуемой концентрации.
Необходимо учитывать, что теплозащитные покрытия обычно используется на лопатках высокотемпературных турбин. Лопатки таких турбин имеют направленную или монокристальную структуру, тонкие стенки и высокую эффективность охлаждения. При работе в этих лопатках, и особенно на их поверхности, возникают высокие термические напряжения и деформации, поэтому характеристики термомеханической усталости являются наряду с жаростойкостью основными при выборе состава подслоя.
В настоящей работе рассматривается возможность повышения усталостных характеристик лопаток с покрытием за счет использования многослойного подслоя на основе сплава Со-22Сг-9Al-0,5Y.
Для нанесения покрытия использовалось оборудование NаnoAгcmаsteг 900R, с установленными на нем магнетронными распылительными системами. Высоковакуумный стенд NanoARCmasteг 900R, разработанный и изготовленный в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», является современным высокотехнологичным оборудованием для нанесения широкого спектра покрытий.
В качестве материала мишени использовались пластины размером 10x120x400 мм, полученные индукционной плавкой в вакууме.
Исследование механической усталости выполнялось на многообразцовой испытательной машине типа УВР-Ш конструкции ЦНИИТМАШ, с частотой перемен нагрузки 200-220 Герц.
Испытания на усталость при симметричном цикле проводились при знакопеременном консольном изгибе образцов в одной плоскости, а испытания при ассиметричном цикле в условиях одновременного действия статической растягивающей нагрузки (одинаковой во всех случаях и равной 150 Мпа) и переменного консольного изгиба в одной плоскости.
Во всех исследованиях применялись одинаковые образцы крупного поперечного сечения с диаметром рабочей части 7 мм.
Образцы из сплава ЭИ893ВД испытывались при температуре 750° С при симметричном цикле нагружения. Покрытие Со-22Сг-9Al-0,5Y наносилось толщиной 60 мкм. На рис. 1 показан результат микрорентгеноспектрального анализа многослойного покрытия системы Со-22Сг-9Al-0,5Y с чередующимися фазами Co(CгAl) и CoAl. На фотографии видно, что темные области соответствуют пикам содержания Al, а светлые &. Диаметр зонда составлял 1мкм, по-
этому при анализе частично захватывались соседние слои, что не позволяло более четко получить сопоставление распределения элементов в слоях.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10С
Толщина, мкм
Рис. 1. Результаты микрорентгеноспектрального анализа многослойного покрытия системы Со-22Сг-9Al-0,5Y.
#
• • \
ь Пас порі наі ч к Р1 ПІ усталос ги
€ 1 ¥
< 5 %
с
ЧчС • Ь
1 ►
С !&■
ЦТ ИГ 1П
Количества циклон, IV
ф - образец с покрытием Со-22Сг-9А1-0,5У, твердость 5000 МПа 0 - образец после имитациии термического цикла ф - образец с микрослойиым покрытием Со-22Сг-9А1-0,5У
Рис. 2. Результаты испытания сплава ЭИ893ВД на механическую усталость при ассиметричном цикле нагружения при температуре 750° С.
Как видно из графика, построенного по результатам испытаний и приведенного на рис. 2, состояние сплава удовлетворительное, технология нанесения на усталостную прочность материала лопатки не влияет. Однако, образцы с покрытием GD-22Cr-9Al-0,5Y, выполненным с равномерным распределением фаз, показали снижение свойств в среднем до 7%. Допустимый уровень снижения служебных характеристик жаропрочных сплавов, применяемых для изготовления лопаток турбин, при нанесении на них защитных покрытий не должен, как правило, превышать 10 % [1, 4, 5]. Однако, используя технологию получения многослойного покрытия, представленного на рис. 1, того же состава, что и при обычном распределении фаз, усталостные свойства материала лопатки повышаются до паспортных значений. Этот эффект получения многослойного покрытия должен позволить минимизировать влияние термобарьерного покрытия на служебные свойства материала лопаток.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы», государственный контракт от 26 августа 2011 г. № 16.518.11.7084.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мовчан, Б.А., Малашенко, И.С., Никитин, В.И. [и др.] Влияние покрытий Co-Cr-Al-Y на физико-механические свойства сплава ЭИ-893 рабочих лопаток турбины установки ГТ-10 [Текст] / Б.А. Мовчан, И.С. Малашенко, В.И. Никитин, А.И. Рыбников [и др.] // Проблемы специальной электрометаллургии. - 1985. -№ 7. - С. 39.
2. Афанасьев, Н.И. [и др.] Структура и свойства жаростойкого покрытия, полученного методом ионно-плазменного осаждения [Текст] / Y/B/ Афанасьев // Физика и химия обработки материалов. - 2010. - №1. - С. 36-39.
3 Damond, Е., Jacquot, P., Denisse, Е. NiCoCrAlYTa coatings deposited by the cathodic arc evaporation technique // Vide, couches minces. - 1992. - 48. - № 261. - P. 194-202.
4. Эйзнер, Б.А., Никитин, В.И., Митор, E.B. [и др.] Некоторые технологические аспекты вакуумной электродуговой технологии нанесения жаростойких покрытий на лопатки ГТУ [Текст] / Б.А. Эйзнер, В.И. Никитин, Е.В. Митор, В.И. Ивашнева, Г.В. Марков // Коррозионностойкие покрытия. - СПб. : Наука, 1992. -С. 113-116.
5. Буров, И.В., Валуев, В.П., Кузнецов, В.Г., [и др.] Повышение надежности турбинных лопаток методом вакуумно-дугового нанесения покрытий [Текст] / И.В. Буров, В.П. Валуев, В.Г. Кузнецов, С.А. Леонтьев, И.С. Полипанов, А.И. Рыбников, А.А. Соломатников // Сварочное производство. - 1995. - №5. - С.13-16.
