CC BY
443
УДК: 621.452.3:621.793
В. Е. Замковой, В. Г. Малышева, О. А. Корогод
ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК
ТУРБИНЫ ГТД
Рассмотрены различные жаростойкие покрытия, формируемые на наружной поверхности пера и поверхности охлаждаемых каналов рабочих лопаток турбины ГТД. Исследована микроструктура сплава ЖС32-ВИ после длительной эксплуатации. Рассмотрена возможность повышения ресурса рабочих лопаток турбины нанесением ГТЗП.
Введение
Химический состав современных жаропрочных никелевых сплавов, определяющий необходимый комплекс свойств материала рабочих лопаток турбины в условиях жесткого температурно-силового нагружения, не обеспечивает достаточной устойчивости пера лопаток к воздействию агрессивной среды газового потока. Высокотемпературное окисление жаропрочных никелевых сплавов существенно ограничивает ресурс рабочих лопаток. Эффективным способом защиты проточной и внутренней поверхностей лопаток от высокотемпературного окисления и коррозионного повреждения является нанесение защитных жаростойких покрытий.
На основании опыта, накопленного ГП " Ивченко-Прогресс" по доводке и эксплуатации ГТД Д-18Т и исследований ВИАМ на ранней стадии освоения двигателя Д-18Т следует, что условия работы лопаток ротора ТВД характеризуются высокой степенью теплонапряженного состояния при рабочей температуре, достигающей 1100 °С в горячем сечении лопатки. На наружной поверхности в горячем сечении наблюдаются зоны разгара жаростойкого покрытия, а также термоусталостные трещины в зоне перфорационных отверстий и на пере лопаток.
Основными требованиями, предъявляемыми к защитным покрытиям, являются высокая жаростойкость при температуре ~ 1100 °С и максимально высокое сопротивление к образованию трещин термоусталости Поэтому выбор оптимального покрытия для рабочих лопаток ТВД ГТД представляет собой сложную научно-техническую задачу, решение которой позволит повысить ресурс более чем в 1,5-2 раза.
В разное время для защиты рабочих лопаток ТВД на нашем предприятии использовались различные жаростойкие покрытия, а также комбинированные варианты:
- ВСДП-11;
- СДП-2;
- СДП-2+ГЦП(Д!);
- ГЦП(^)+СДП-2.
Однако, исследования, подтвержденные ре© В. Е. Замковой, В. Г. Малышева, О. А. Корогод 2006 г.
зультатами эксплуатации, показали, что покрытия ВСДП-11 и СДП-2, характеризующиеся высокой пластичностью, в то же время имеют достаточно ограниченную жаростойкость в условиях работы лопаток ротора ТВД.
При использовании комплексных систем СДП-2+ГЦП(^) и ГЦП(Д!)+СДП-2 уже после сдаточных испытаний двигателя обнаруживалось растрескивание покрытий различной интенсивности для каждого испытанного моторокомплекта. Характер повреждения покрытий в этом случае позволил предположить, что растрескивание покрытия связано с различием в элементном составе (низкая повторяемость) и низкой пластичностью покрытий. По данным ВИАМ, использованные коплексные покрытия подвержены заметному технологическому изменению состава слоя СДП-2, обусловленному взаимной диффузией алюминия из слоя ГЦП^) в слой СДП-2 и хрома из слоя СДП-2 в слой ГЦП(^). Это оказывает заметное влияние на элементный состав комплексных покрытий и их сопротивление образованию трещин термоусталости. С этой точки зрения при формировании комплексных покрытий требуется сочетание точных методов их осаждения, что гарантирует повторяемость элементного состава и свойств.
Постоянно возрастающие требования, предъявляемые к авиационным ГТД по повышению их надежности и увеличению ресурса эксплуатации, требуют нового подхода к защите внутренних поверхностей охлаждаемых каналов и наружных поверхностей лопаток турбины. Эта задача для рабочих лопаток ТВД большого ресурса из сплава ЖС32-ВИ была решена усилиями четырех организаций: ГП " Ивченко-Прогресс", ОАО " Мотор Сич", ООО " Турбомет" (Россия, г. Екатеринбург) и ФГУП ВИАМ. В результате доводки технологического процесса газоциркуляционного хромоалитирования, опробования различных технологических схем нанесения методом ВПТВЭ защитных покрытий на проточную поверхность пера рабочих лопаток и многочисленных металлофизических исследований покрытий была выбрана оптимальная схема нанесения комплексного защитного покрытия, с которым в настоящее время и эксплуатируются рабочие
лопатки ТВД дв. Д-18Т.
Материалы и методика исследований
Сущность технологии заключается в следующем. После окончательной доводки профиля пера и специальной подготовки поверхности охлаждаемых каналов выполняется хромоалитирование в две стадии газоциркуляционным методом внутренней и проточной поверхностей пера. После этого на слой диффузионного ГЦП(СгЛ!) методом ВПТВЭ наносится кон-денсационно-диффузионное покрытие, представляющее собой конденсационное покрытие СДП-2 + ВСДП-16.
Известно [1, 2], что термодинамически возможно насыщение поверхности двумя и более элементами в течение одного процесса.
С целью упрощения и удешевления технологии нанесения покрытий на нашем предприятии опробован одностадийный процесс хромоалитиро-вания газоциркуляционным методом.
Проведены экспериментальные процессы одностадийного ГЦ хромоалитирования, в которых в качестве источника алюминия применялся как ферроалюминий, используемый в двухстадийной технологии, так и химически чистый порошок алюминия.
Основные параметры техпроцесса насыщения максимально приближены к существующим для двухстадийной технологии. В качестве активатора использовался хлористый аммоний.
Анализ полученных результатов
Структура защитного диффузионного слоя СгЛ!, полученного по двухстадийной технологии на внутренней поверхности охлаждаемых каналов после диффузионного отжига представлена на рис. 1, распределение химических элементов в слое в режиме картирования представлено на рис. 2. Структура и распределение химических элементов в комплексном защитном покрытии на проточной поверхности рабочей лопатки ТВД в режиме картирования приведено на рис. 3. Согласно данным рентгеноспектрального микроанализа (рис. 3) наружный слой комплексного покрытия на основе композиции СДП-2+ВСДП-16 имеет двухфазное строение с соотношением фаз: Ы1Л! ~ 90 % мас. и легированного а-Сг ~ 10 % мас. Слой ГЦП(СгЛ!) выполняет роль барьера, оттесняя вглубь жаропрочного сплава ЖС32-ВИ легирующие компоненты: Та, Ке, W, Сг, Мо, выделяющиеся в виде карбидов и ТПУ фаз.
В ходе проведения исследования микроструктуры и химического состава ГЦП(СгЛ!), полученного по одностадийной технологии, установлено, что содержание основных легирующих элементов (Л! и Сг) соответствует оптимальному для данного класса покрытий (рис. 4).
Таким образом, разработанная и опробованная
на ГП "Ивченко-Прогресс" технология одностадийного нанесения хрома и алюминия на поверхности рабочих лопаток турбины газоциркуляционным методом, обеспечивает формирование качественного покрытия и не требует изменения параметров типового техпроцесса нанесения ГЦП.
При металлографических исследованиях рабочих лопаток ТВД после длительной эксплуатации (~4...5 тыс. часов), имеющих диффузионные покрытия, в наиболее горячих зонах пера обнаруживается полное изменение исходной структуры (у+уО - основы сплава (рис. 5). Вместо дисперсной двухфазной (у+уО - структуры с кубоидными частицами упрочняющей уГ-фазы, разделенными относительно тонкими прослойками у-фазы, возникла структура с фактически монолитной уГ-фазой, в которой располагаются двухфазные (у+уГ) - фрагменты неправильной формы с дисперсной вторичной уГ-фазой. Выделения вторичной интерметаллид-ной фазы, как правило, располагаются в "монолитной" уГ-фазе. Согласно полученной микродифракционной информации, преобладающей вторичной фазой " горячей" зоны пера лопатки является ц-фаза.
Таким образом, при эксплуатации в "горячей" зоне пера лопатки формируется структура, качественно отличающаяся от исходной. При каждом полном цикле эксплуатации постоянно происходят фазовые превращения у^-уГ, т.е. процессы растворения и выделения частиц упрочняющей уГ-фазы из у-твердого раствора (работы В.П. Лесникова, В.П. Кузнецова).
Рис. 1. Диффузионное защитное покрытие на внутренней поверхности охлаждаемого канала монокристаллической
рабочей лопатки ТВД двигателя Д-18Т, полученного по технологии газоциркуляционного двухстадийного хромоалитирования, х 2000
Рис. 2. Распределение химических элементов в режиме картирования на внутренней поверхности охлаждаемых каналов в окончательно готовой рабочей лопатке ТВД дв.Д-18Т. Защитное диффузионное покрытие получено методом газоциркуляционного двухстадийного хромоалитирования,х 1000
Поскольку ресурс высоконагруженных рабочих лопаток турбины авиационных ГТД последнего поколения ограничен не только высокотемпературным окислением и коррозией жаростойкого защитного покрытия, но и, как показано выше, протеканием структурных изменений в жаропрочном сплаве. Поэтому пристальное внимание привлекают покрытия, которые могут не только защищать от газовой коррозии, но и служить тепловым барьером между раскаленными газами и материалом ло-
патки. Таковыми являются градиентные теплозащитные покрытия (ГТЗП).
В Международном центре электронно-лучевых технологий Института электросварки им. Е.О. Па-тона НАНУ (г. Киев) разработана одностадийная электронно-лучевая технология осаждения ГТЗП, базирующаяся на использовании композиционного слитка и испарителя карусельного типа [3]. Осаждение всех составляющих слоев покрытия осуществляется из одного испарителя за один техноло-
гический цикл. Благодаря этому удалось значительно упростить и сократить технологический цикл осаждения ГТЗП.
Основой технологии является использование известного явления фракционирования при испарении многокомпонентных систем, содержащих элементы с различной температурой плавления и упругостью пара, и последующей их конденсации в вакууме, позволяющее заменить плоскую границу раздела, например, между металлическими и керамическими слоями, на градиентную по составу и
структуре переходную зону.
По техническому заданию нашего предприятия в МЦ ЭЛТ по одностадийной электронно-лучевой технологии на опытные комплекты рабочих лопаток турбин высокого и низкого давлений двигателя Д-27 были нанесены ГТЗП с внешним керамическим слоем на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.
Рис. 3. Распределение химических элементов в режиме картирования в комплексном защитном покрытии (ГЦП(СгЛ!)+СДП-2+ВСДП-16) на проточной поверхности пера рабочей лопатки ТВД после диффузионного отжига
Рис. 4. Микроструктура и химический состав ГЦП(СгА1), полученного по одностадийной технологии
(после диффузионного отжига)
Рис. 5. Измененная микроструктура сплава ЖС32-ВИ в горячей зоне лопатки ТВД
Общая толщина ГТЗП на лопатках составляла около 220-240 мкм. Толщина металлического связующего слоя ЫЮоСгЛ!У находилась в пределах 70-90 мкм, градиентной переходной зоны (№,Сг)Л! - около 18 мкм, внешнего керамического слоя -около 140 мкм. Контроль толщины осаждаемого покрытия производится путем контроля массы испаренного материала: для жаростойкого металлического связующего слоя СДП-1 по расходу слитка, а для переходной зоны и внешнего керамического слоя - по массе вставки Л!Сг и массе керамической основы композиционного слитка 2г02-7 %У2С>3 соответственно.
После осаждения на жаропрочные сплавы ГТЗП подвергаются вакуумной термообработке при температуре 1080...1100 °С для формирования тонкой пленки на основе а-Л!203 на границе контакта металл-керамика, так называемой ТОО, которая обеспечивает высокую адгезионную связь между керамическим слоем и металлическим связующим
слоем.
На рис. 6 приведены микроструктура и распределение химических элементов в ГТЗП, осажденном на поверхность лопаток из жаропрочного сплава ЖС32. Очевидно, что содержание алюминия в NiCoCrAlY составляет около 11 мас.%, а в слое на
основе алюминида - 30......32% при 8 мас.% Cr,
что обусловливает формирование структуры на основе алюминида никеля с дисперсными включениями хрома. На границе с внешним керамическим слоем имеется пик концентрации хрома (до 30 мас.%) и прослойка a-оксида алюминия (TGO -thermal growth oxide). Хром и оксид хрома, содержащиеся в переходной зоне, благоприятствуют формированию преимущественно a-A^O3, создавая эффективный диффузионный барьер и замедляя в первую очередь рост слоя оксида алюминия при эксплуатации покрытия на лопатках.
Химический состав ГТЗП NiCoCrAIY/Al-Cr/ZrO2-Y2O3 на жаропрочном сплаве ЖС32-ВИ
Рис. 6. Микроструктура и химический состав ГТЗП Ы1СоСгЛ!У/Л!-Сг /7г02-У203 после термической обработки на рабочей
лопатке ТВД дв.Д-27 из сплава ЖС32-ВИ
Как показали выполненные в МЦ ЭЛТ термоциклические испытания упомянутых ГТЗП на образцах из жаропрочного сплава ЖС32 по режиму 1150-^50 °С, они в 1,8 раза превосходят по термоциклической долговечности традиционные двухслойные покрытия МеСгА1У/2г02(У203). Это объясняется их более высокой термической стабильностью и жаростойкостью за счет формирования градиентных переходных зон на границе связующий слой/керамический слой. В пользу этого свидетельствует замедление кинетики роста пленки на основе А12О3 между связующим слоем и керамическим слоем в процессе испытаний.
На предприятии, совместно со специалистами МЦ ЭЛТ выполнен ряд исследований по распределению толщины ГТЗП по высоте и профилю пера, а также в перфорационных отверстиях, в результате которых установлено, что данная технология обеспечивает получение необходимой толщины покрытия с плавным ее изменением на заданных участках пера. Проведены испытания усталостной прочности лопаток с этим покрытием при комнатной температуре. Отрицательного влияния ГТЗП на выносливость лопаток при этом не выявлено. В настоящее время на предприятии проводится ряд исследовательских работ по определению влияния ГТЗП на структуру и механические свойства сплава ЖС32-ВИ, а также работы оценке выносливости лопаток с покрытием при рабочих температурах.
Опытные комплекты рабочих лопаток ТВД и ТНД двигателя Д-27 успешно прошли сдаточные испытания и в настоящее время направлены в эксплуа-
тацию.
Выводы
Разработана комплексная система жаростойких покрытий - ГЦП(СгА1)+СДП-2+ВСДП-16, обеспечивающая пластичность и сопротивление образованию трещин термоусталости. Показана возможность проведения процесса насыщения поверхности Сг и А1 за один технологический процесс. Дальнейшее увеличение ресурса рабочих лопаток турбины ГТД возможно нанесением градиентных теплозащитных покрытий.
Список литературы
1. П.Т. Коломыцев " Газовая коррозия и прочность никелевых сплавов". - М., 1984 г.
2. П.Т. Коломыцев "Высокотемпературные защитные покрытия для никелевых сплавов". - М., 1991 г.
3. Яковчук К.Ю., Рудой Ю.Э. "Одностадийная электронно-лучевая технология осаждения термобарьерных градиентных покрытий", Современная электрометаллургия. - 2003. -№2. - С. 10-16.
Поступила в редакцию 09.06.2006 г.
Розглянуто pi3Hi жарост1йк покриття, сформованi на зовн1шн1й поверхн1 пера i по-верхн1 охолоджуваних каналiв робочих лопаток турб'1ни ГТД. Вивчена Mi^cmpyKmypa стопу ЖС32-ВИ п '1сля тривалоï експлуатацИ Розглянута можливiсть збiльшення ресурсу робочих лопаток турб'1ни нанесенням ГТЗП.
Considered are different heat resistant coatings of outer blade foil surface and working channels of GTE blades being cooled. Microstructure of ЖС32-ВИ alloy has been researched after long service. The possibility to improve service life for turbine working blades through ГТЗП applying is considered.
