CC BY
17
УДК 678.026:666.29
С.С. Солнцев, В.В. Швагирева, Н.В. Исаева, Г.А. Соловьева ВЫСОКОРЕСУРСНЫЕ ЭМАЛЕВЫЕ ПОКРЫТИЯ
ДЛЯ ТЕПЛОНАГРУЖЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ
Высокоресурсные эмалевые покрытия для защиты деталей горячего тракта газотурбинных двигателей из жаропрочных никелевых, высокохромистых и железоникелевых сплавов занимают особое место в обеспечении работоспособности, ресурса и надежности изделий авиационной техники.
Детали ГТД эксплуатируются в условиях высоких температур (до 1100°С) и подвергаются жестким местным нагревам. Металл узлов ГТД должен иметь умеренную жаропрочность, высокое сопротивление окислению (жаростойкость) и коррозии в продуктах сгорания топлива. Жаропрочные материалы для деталей ГТД разработаны на Ni основе с введением в твердый раствор значительного количества легирующих добавок, которые увеличивают прочность, сопротивление ползучести и жаропрочность. При работе газотурбинных двигателей основным повреждением поверхности деталей (камер сгорания, форсажных камер, жаровых труб и др.) является высокотемпературная газовая коррозия, которая сопровождается процессом образования на поверхности металлов окалины, состоящей из фаз переменного состава, а также рыхлых подокалинных слоев и зон внутреннего окисления, что вызывает существенное изменение химического состава и снижение прочностных характеристик сплавов. Потеря прочности сплавов происходит под действием как поверхностной, так и межкристаллитной коррозии. Жаропрочные сплавы при высоких температурах имеют тенденцию к активному окислению: привес сплавов за 100 ч при температуре 1000°С составляет 0,19 - 0,25 г/м2, при температуре 1100°С: 0,8 - 1,6 г/м . Для повышения сопротивляемости сплавов высокотемпературной газовой коррозии эффективны защитные эмалевые покрытия, регламентирующие процесс окисления металла при высоких температурах.
В настоящее время для защиты деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов типа ВЖ98, ЭП648 от высокотемпературной газовой коррозии при температурах до 1000°С серийно применяются высокоресурсные эмалевые (стеклокристаллические, реакционноотверждаемые) покрытия типа ЭВК на основе тугоплавких стеклофритт.
Необходимыми условиями эффективной защиты сплавов являются:
- формирование сплошного защитного слоя покрытия при сравнительно низкой температуре для предотвращения интенсивного окисления сплава на начальных стадиях нагрева;
- растворение оксидных пленок, образующихся на металле при нагреве, без потери защитных свойств покрытия;
- достаточно высокая вязкость и плотность защитного слоя для уменьшения диффузии газов из атмосферы печи;
- прочное сцепление покрытий со сплавом благодаря переходным диффузионным слоям, что обусловливает высокую надежность эксплуатации в условиях резких температурных перепадов;
- общая тугоплавкость всей системы покрытия, что обеспечивает длительную эксплуатацию покрытий при высоких температурах [1].
Высокие эксплуатационные характеристики покрытий достигаются оптимизацией химического состава и соотношением кристаллической и стекловидной составляющей в процессе формирования и эксплуатации.
Возможность получения эмалевых покрытий на основе стеклообразующих фритт заложена в физико-химической природе аморфного стеклообразного состояния, в соответствии с которой процессы плавления и затвердевания происходят постепенно в некотором температурном интервале. Именно наличие температурного интервала стеклования, в котором происходит возрастание подвижности структурных элементов стекла путем переключения (трансляции) ковалентных связей типа Si—O, В—О и т. д., обусловливает возможность создания защитных покрытий на основе стеклообразных композиций с широким рабочим интервалом температур. Использование тугоплавких фритт с высоким содержанием A12O3 открывает возможности регулирования процесса вязкого течения в системе покрытия путем изменения в нем структурного состояния
+3
иона А1 за счет введения компонентов, способствующих созданию единого алюмоборосиликатного каркаса [2].
Стеклокристаллические покрытия типа ЭВК на основе сложных смесей оксидов и тугоплавких соединений получают с использованием процессов катализированной кристаллизации. Такие покрытия отличаются прочной ковалентной химической связью, субмикрометровой кристаллической структурой, газоплотностью, технологичностью вследствие достаточного содержания стеклофазы [3]. Эти факторы обеспечивают высокую устойчивость покрытий в агрессивных высокоскоростных газовых потоках, прочность сцепления с поверхностью сплавов, жаростойкость и термопрочность при температурах до 1000°С (длительно). Применение покрытий снижает окисляемость сплавов в 6-8 раз. При нагреве сплавов без покрытия наблюдается обедненный легирующими элементами дефектный слой глубиной до 150 мкм, в то время как на образцах с покрытием отсутствует межкристаллитная коррозия, распределение элементов в сплаве равномерное. Стеклокристаллические покрытия устойчивы к воздействию низких температур, выдерживают тепловой удар в течение 200 и более теплосмен при переменном нагреве и охлаждении, стойки к авиационным топливам, отличаются высокой коррозионной стойкостью во всеклиматических условиях.
Дальнейшее развитие работ по высокоресурсным эмалевым покрытиям определяется повышением уровня рабочих параметров жаропрочных сплавов и обеспечением работоспособности двигателей в условиях работы под нагрузкой при температурах до 1200°С. Для современных и перспективных авиационных ГТД разработаны новые жаропрочные материалы, позволяющие повысить рабочие температуры на камерах сгорания на 150 - 200°С, - в частности структурностабильный сплав на Ni-Cr-Co основе типа ВЖ145, который может быть использован длительно до 1100°С, а также сплав типа ВЖ155 с рабочей температурой до 1200оС. Специальный химический состав на Ni-Cr основе способствует повышению жаропрочности сплава, а в комплексе с особым режимом химико-термической обработки обеспечивает его повышенную термическую стабильность в процессе эксплуатации. Серийные эмалевые покрытия типа ЭВК при этих температурах переходят в вязкотекучее состояние и не могут обеспечить защиту сплава в условиях высокотемпературного газового потока. Сложность разработки стеклокристаллических покрытий на рабочие температуры выше 1000оС связана с дальнейшим повышением температуры варки стеклофритт и формирования покрытий. Проблема понижения температуры формирования была решена путем введения в состав покрытий компонентов, обеспечивающих так называемый эффект реакционного отверждения [4]. Механизм реакционного отверждения заключается в образовании, за
счет химических реакций на поверхности частиц тугоплавкого стекла, тонких относительно легкоплавких пленок, приводящих к отверждению покрытия при пониженных температурах. В качестве компонентов, способных активно взаимодействовать с тугоплавкими стеклами с образованием жидкой боросиликатной фазы, эффективны, прежде всего, бориды, которые склонны к окислению с образованием на поверхности частиц тугоплавкого стекла пленок В2О3 при температурах 700-900°С. Введение борида кремния в покрытие снижает температуру его размягчения на 80-120°С. Эффект снижения температуры формирования покрытий был получен также при использовании в их составе стеклофритт различной тугоплавкости. Использование смесей фритт с различными свойствами позволило разработать ряд покрытий с регламентированными вязкостью и температурным коэффициентом линейного расширения. Покрытия обладают повышенной термостойкостью при температурах до 1100°С вследствие того, что прослойки легкоплавкой фазы способны релаксировать термоупругие напряжения в покрытии. Таким образом, реакционноотверждаемые покрытия имеют сравнительно низкую температуру формирования (1050-1120°С) с сохранением основных защитных свойств, что позволило использовать их при защите тонкостенных деталей и деталей сложной конфигурации.
Для защиты новых жаропрочных сплавов, работающих в теплонагруженных условиях (выше 1000°С), эффективно применение комплексных покрытий, где в качестве подслоя, ограничивающего диффузию хрома из сплава в покрытие, использованы различные модификации покрытий типа ЭВК, а в качестве основного слоя - реакционноспекаемые покрытия. Это поликомпонентные композиции на основе тугоплавких соединений кремния и бора с добавками легкоплавких боросиликатных фритт, что дает возможность формирования защитных слоев при температурах более низких, чем температура их эксплуатации. Высокое содержание тугоплавких кристаллических фаз в составе реакционноспекаемых покрытий обеспечивает их высокие рабочие характеристики. Применение покрытий снижает окисляемость сплавов на 60-80% и обеспечивает эффективную защиту сплавов при температурах до 1100°С.
Разработана технология приготовления и нанесения высокоресурсных эмалевых покрытий, позволяющая обеспечить получение качественного защитного слоя с оптимальной толщиной, минимальной разнотолщинностью при эмалировании деталей на предприятиях отрасли. Покрытия получают по традиционной шликерно-обжиговой технологии из недефицитных экологически чистых компонентов.
Для оперативного восстановления работоспособности деталей с поврежденным в процессе рихтовки, сборки, транспортировки эмалевым слоем разработаны ремонтные покрытия типа ЭВР. Покрытия не требуют высокотемпературного обжига, выдерживают до 50 циклов теплосмен и снижают окисляемость сплавов при наличии дефектов в ~2 раза.
Разработанные высокоресурсные эмалевые покрытия отличаются сочетанием высоких физико-химических, коррозионных и технологических свойств, обеспечивают защиту деталей от воздействия агрессивных сред при высоких температурах (до 1100°С), по своим характеристикам превосходят покрытия, полученные физическими методами. В таблице приведены основные свойства серийных эмалевых покрытий типа ЭВК.
Свойства серийных высокоресурсных эмалевых покрытий типа ЭВК
Свойства Значения свойств
Рабочая температура, °С До 1000(длительно)
Температура формирования, °С 1120-1200
Толщина, мкм 60-120
Прочность сцепления, % 98
Термостойкость: количество циклов Более 250
при испытании по режиму 1000^20°С Коррозионная стойкость Коррозионных повреждений нет. Сниже-
Жаростойкость: привес, г/м • ч ние удельной потери массы образцов сплавов в 5-10 раз; работоспособность во всеклиматических условиях До 0,034
Эффективность защитного действия покрытий представлена кривыми окисляе-мости сплавов без покрытия и с покрытием при различных температурах (см. рисунок).
а) б)
Время, ч Время, ч
Окисляемость сплавов без покрытия (•) и с эмалевым покрытием типа ЭВК (•) при температурах 1000 (а) и 1100°С (б)
Высокоресурсные эмалевые покрытия внедрены в промышленность практически для всех отечественных авиадвигателей для защиты большой номенклатуры деталей горячего тракта из жаропрочных никелевых, высокохромистых и железоникелевых сплавов, повышают надежность и ресурс изделий в 1,5-2 раза.
ЛИТЕРАТУРА
1. Солнцев С.С. Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали. - М.: Машиностроение, 1984, 255 с.
2. Химическая технология стекла и ситаллов. Под редакцией Павлушкина Н.М. -
М.: Стройиздат, 1983, 432 с.
3. Аппен А. А. Температуроустойчивые неорганические покрытия. - М.-Л.: Химия, 1976 .
4. Солнцев С.С., Исаева Н.В., Швагирева В.В., Максимов В.И. Высокотемпературные покрытия для защиты сплавов и углеродкерамических композиционных материалов от окисления //Конверсия в машиностроении, 2004, №4, 77 с.
