CC BY
54
ВИАМ/2014-Тр-04-01
УДК 629.7.023.224
ЖАРОСТОЙКОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ НОВОГО ПЕРСПЕКТИВНОГО ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО СПЛАВА ВИН3
А.А. Косьмин
С. А. Будиновский доктор технических наук
А.М. Гаямов
кандидат технических наук А.А. Смирнов
Апрель 2014
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ) - крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационно-космической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья подготовлена для опубликования в журнале «Труды ВИАМ», №4, 2014 г.
УДК 629.7.023.224
А.А. Косьмин1, С.А. Будиновский1, А.М. Гаямов1, А.А. Смирнов1
ЖАРОСТОЙКОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ НОВОГО ПЕРСПЕКТИВНОГО ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО СПЛАВА ВИН3
Разработано новое жаростойкое покрытие для защиты от высокотемпературного окисления деталей турбины ГТД, изготовленных из интерметаллидного сплава ВИН3, эксплуатирующихся в области температур 1100-1200°С. Проведены исследования жаростойкости свойств, эволюции состава и структуры легированных ионно-плазменных покрытий на сплаве ВИН3 при рабочих температурах.
Ключевые слова: покрытия, жаростойкие покрытия, ионно-плазменные покрытия, ионно-плазменная технология, жаростойкость, защита интерметал-лидных сплавов, покрытия для лопаток турбины.
A.A. Kosmin1, S.A. Budinovskiy1, A.M. Gayamov1, A.A. Smirnov1
HEAT-RESISTANT COATING FOR NEW INTERMETALLIC NICKEL-BASED SUPERALLOY VIN3
New heat-resistant coating for protection against high-temperature oxidation of turbine parts made of intermetallic nickel-based superalloy working at 1100-1200°С is developed. Research of heat-resistance, evolution of composition and structure of doped ion-plasma coatings for intermetallic superalloy is made.
Key words: ratings, heat-resistant coatings, ion-plasma coatings, ion-plasma technology, heat-resistance, protection for intermetallic alloys, coatings for turbine blades.
1 Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
В настоящее время основной тенденцией развития современных газотурбинных двигателей авиационного назначения, в том числе для существующих и перспективных вертолетов, является повышение температуры рабочего газа турбины, что обеспечивает рост тактико-технических и экономических характеристик. В связи с этим представляется целесообразным исследовать возможность применения в вертолетных турбинах новых современных материалов, обладающих по сравнению с используемыми более
высокими прочностными характеристиками, а также меньшей плотностью, что позволит снизить массу двигателя и, соответственно, повысить экономическую эффективность данных изделий [1-4].
Одним из направлений комплексного повышения служебных характеристик существующих конструкций ГТД, в том числе продления ресурса работы, снижения массы и повышения рабочих температур, является применение интерметаллидных сплавов на никелевой основе для деталей вертолетных турбин [5-7]. В России во ФГУП «ВИАМ» разработан ряд интерметаллидных литейных сплавов серии ВИН, обладающих удовлетворительным комплексом механических свойств при температурах до 1200°С на базах испытаний до 1000 ч [8-11]. Однако с ростом рабочих температур в перспективных ГТД обеспечение длительных ресурсов работы сопловых лопаток вертолетных турбин не представляется возможным. В условиях интенсивных теплосмен обеднение поверхности деталей из интерметаллидных сплавов алюминием и хромом приводит к окислению и разупрочнению и может быть скомпенсировано применением защитного покрытия [12, 13].
При создании перспективных вертолетных двигателей появляется необходимость увеличения ресурса работы лопаток турбины из новых разработанных сплавов путем нанесения на них жаростойкого покрытия, защищающего от высокотемпературного окисления в области температур 1000-1200°С [14].
Материал и методы исследования
Для исследований выбраны следующие покрытия:
- СДП-2+ВСДП-18 (из серийных жаростойких сплавов);
- СДП-41+ВСДП-18 (показавшее высокую жаростойкость на интерметаллидных сплавах ВКНА-1В и ВКНА-25 [15]);
- СДП-42+ВСДП-18 (СДП-42 схож по составу со сплавом СДП-41 и отличается тем, что Яе заменен на W - для снижения стоимости покрытия).
Толщина покрытия из конденсированного слоя сплавов СДП-2, СДП-41, СДП-42 и алюминидного диффузионного слоя из сплава ВСДП-18 во всех случаях составила 80 мкм.
Покрытия наносили на вакуумной ионно-плазменной установке с автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУ ТП) типа МАП-2 [16].
Испытания на изотермическую жаростойкость проводили в соответствии с ГОСТ 6130 на дисковых образцах 025 мм, И=3 мм, без покрытия и с покрытиями, в атмосферной печи: в керамических тиглях с крышками при Т=1200°С.
Исследования на циклическую жаростойкость проводили на дисковых образцах 025 мм, И=3 мм, без покрытия и с покрытиями, по режиму: выдержка при температуре 1200°С в течение 50 мин и охлаждение на воздухе в течение 10 мин до температуры 200°С (1 цикл испытаний). Оценка жаростойких свойств сплава без покрытия и с покрытием осуществлялась гравиметрическим методом - путем взвешивания образцов каждые 20-80 ч испытаний и определения удельного изменения массы образцов без учета массы окалины, осыпавшейся с их поверхности.
Микроструктура композиций «сплав-покрытие» исследовалась на оптическом микроскопе Оіушрш 0X51 после отжига в вакууме и высокотемпературных испытаний на воздухе, элементный состав композиций «сплав-покрытие» - на волновом рентгеновском спектрометре ІСМЛ-733. На данном приборе также изучали структуру покрытий в режиме «СОМРО», когда контрастность изображения определяется средней атомной массой химических элементов, входящих в состав исследуемой области или фазы. При этом, чем больше средняя атомная масса, тем светлее на фотографии микроструктуры исследуемая фаза.
Результаты исследования и их обсуждение
После 500 ч испытаний на изотермическую жаростойкость (рис. 1, а) все покрытия
обладают высокими характеристиками жаростойкости по сравнению с защищаемым сплавом. Из рис 1, а видно, что для образцов с покрытиями кривые удельного изменения массы имеют незначительные различия, унос массы покрытия не превышает 50 г/м2 при общем исходном удельном привесе покрытия 550-600 г/м2. Покрытие СДП-42+ВСДП-18 имеет наименьшую потерю массы (на уровне 17 г/м2), что составляет около 3% от исходного удельного привеса покрытия.
При испытаниях на циклическую жаростойкость (рис. 1, б) на базе 100 циклов не наблюдается снижения массы покрытий СДП-41+ВСДП-18 и СДП-42+ВСДП-18. Покрытие СДП-42+ВСДП-18 имеет схожие показатели - прирост массы составляет 3,35 г/м2 - с покрытием СДП-41+ВСДП-18, прирост массы которого составил 8,12 г/м2, что говорит о его более интенсивном взаимодействии с кислородом и, как следствие, возможном снижении жаростойкости.
По результатам проведенных металлографических исследований определено, что толщина покрытия СДП-42+ВСДП-18 в исходном состоянии (без учета зоны диффузионного взаимодействия) составила 75-80 мкм.
Рисунок 1. Удельное изменение массы образцов из сплава ВИН3 в зависимости от продолжительности испытания на изотермическую жаростойкость при температуре 1200°С (а) и циклическую жаростойкость при температуре 1200^200°С (б) без покрытия (о) и с покрытиями СДП-2+ВСДП-18 (•), СДП-41+ВСДП-18 (□), СДП-42+ВСДП-18 (■)
а)
200 мкм
Область анализа Содержание элементов, % (по массе)
А1 Сг Со N1 У Мо Ьа Се ИГ Та Яе Е
Темная 20,2 5,2 0,7 72,6 Н/о* Н/о Н/о Н/о Н/о 1,4 Н/о Н/о 100,1
Светлая 10,3 3,6 0,7 74,4 Н/о 1,0 Н/о Н/о 1,3 8,8 Н/о Н/о 100,1
0 мкм 9,6 6,0 1,5 71,7 Н/о 1,5 Н/о Н/о 1,1 6,3 2,3 Н/о 100,0
* Н/о - не обнаружено.
б)
300 мкм
Область анализа Содержание элементов, % (по массе)
А1 Сг Со N1 У Мо Ьа ИГ Та Яе Е
Темная 5,6 8,0 4,7 68,7 Н/о* 5,3 Н/о Н/о 3,7 2,3 1,7 100,0
Светлая 6,2 7,3 5,1 69,6 Н/о 5,6 Н/о Н/о 3,0 1,7 1,7 100,2
0 мкм 7,8 4,6 3,8 71,4 Н/о 4,3 Н/о Н/о 5,6 2,4 Н/о 99,9
* Н/о - не обнаружено.
Рисунок 2. Микроструктура и состав покрытия СДП-41+ВСДП-18 на сплаве ВИН3 до (а) и после испытания (б) при температуре 1200°С на базе 500 ч
Методами растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного фазового анализа и микрорентгеноспектрального анализа (рис. 2) установлено, что после испытаний покрытие СДП-42+ВСДП-18 на сплаве ВИН3 полностью сохранилось и продолжало выполнять свои защитные функции. Это связано с тем, что в поверхностном слое выявлены участки Р-фазы, а среднее содержание алюминия в слое покрытия составляет 8-9% (по массе).
Таким образом установлено, что после испытаний образцов из сплава ВИН3 на изотермическую жаростойкость при температуре 1200°С на базе 500 ч покрытие СДП-42+ВСДП-18 имеет наименьшую потерю массы из всех исследованных систем покрытий, которая составляет 17 г/м2.
По результатам исследования образцов из сплава ВИН3 с защитными покрытиями на циклическую и изотермическую жаростойкость при температуре 1200^200°С на базе 100 циклов определено, что в покрытии СДП-42+ВСДП-18 наблюдается прирост массы, который составляет 3,35 г/м2.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №Б. С. 7-17.
2. Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. М.: Машиностроение. 2008. Т. 2. С. 159-192.
3. Каблов Е.Н., Сидоров В.В., Каблов Д.Е., Ригин В.Е., Горюнов А.В. Современные технологии получения прутковых заготовок из литейных жаропрочных сплавов нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №Б. С. 97-105.
4. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Вершков А.В. Редкие металлы и редкоземельные элементы - материалы современных и будущих высоких технологий //Труды ВИАМ. 2013. №2. Ст. 01 (viam-works.ru).
5. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демонис И.М. Никелевые литейные жаропрочные сплавы нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №Б. С. 36-52.
6. Базылева О.А., Аргинбаева Э.Г., Туренко Е.Ю. Жаропрочные литейные интерме-таллидные сплавы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №Б. С. 57-60.
7. Каблов Е.Н., Бондаренко Ю.А., Ечин А.Б., Сурова В.А., Каблов Д.Е. Развитие процесса направленной кристаллизации лопаток ГТД из жаропрочных и интерме-
таллидных сплавов с монокристаллической структурой //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 20-25.
8. Сплав на основе интерметаллида Ni3Al: пат. 2434067 Рос. Федерация; опубл.
01.07.2010.
9. Сплав на основе интерметаллида Ni3Al: пат. 2434068 Рос. Федерация; опубл.
05.10.2010.
10. Жаропрочный сплав на никелевой основе для монокристаллического литья: пат. 2439184 Рос. Федерация; опубл. 05.10.2010.
11. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Базылева О.А. Материалы для высокотепло-нагруженных деталей газотурбинных двигателей //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 13-19.
12. Каблов Е.Н., Мубояджян С.А. Жаростойкие и теплозащитные покрытия для лопаток турбины высокого давления перспективных ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. C. 60-70.
13. Каблов Е.Н., Мубояджян С. А. Ионное травление и модифицирование поверхности ответственных деталей машин в вакуумно-дуговой плазме //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 149-163.
14. Kablov E.N., Muboyadzhyan S.A. Heat-resistant coatings for the high-pressure turbine blades of promising gtes //Russian metallurgy (Metally). 2012. №1. С. 1-7.
15. Матвеев П.В., Будиновский С.А., Мубояджян С.А., Косьмин А.А. Защитные жаростойкие покрытия для сплавов на основе интерметаллидов никеля //Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. C. 12-15.
16. Мубояджян С. А., Александров Д. А., Горлов Д.С., Егорова Л.П., Булавинцева Е.Е. Защитные и упрочняющие ионно-плазменные покрытия для лопаток и других ответственных деталей компрессора ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 71-81.
REFERENCES LIST
1. Kablov E.N. Strategicheskie napravlenija razvitija materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda [Strategic directions of development of materials and technologies to process them for the period up to 2030] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7-17.
2. Inozemcev A.A., Nihamkin M.A., Sandrackij V.L. Osnovy konstruirovanija aviacionnyh dvigatelej i jenergeticheskih ustanovok [Basis for designing aircraft engines and power plants]. M.: Mashinostroenie. 2008. T. 2. S. 159-192.
3. Kablov E.N., Sidorov V.V., Kablov D.E., Rigin V.E., Gorjunov A.V. Sovremennye tehnologii poluchenija prutkovyh zagotovok iz litejnyh zharoprochnyh splavov novogo pokolenija [Modern technologies for bar stock of casting superalloys new generation] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 97-105.
4. Kablov E.N., Ospennikova O.G., Vershkov A.V. Redkie metally i redkozemel'nye jele-menty - materialy sovremennyh i budushhih vysokih tehnologij [Rare metals and rare earth elements - materials of current and future high-tech] //Trudy VIAM. 2013. №2. St. 01 (viam-works.ru).
5. Kablov E.N., Petrushin N.V., Svetlov I.L., Demonis I.M. Nikelevye litejnye zharoprochnye splavy novogo pokolenija [Casting nickel superalloys new generation] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 36-52.
6. Bazyleva O.A., Arginbaeva Je.G., Turenko E.Ju. Zharoprochnye litejnye intermetallid-nye splavy [Heat-resistant casting intermetallic alloys] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 57-60.
7. Kablov E.N., Bondarenko Ju.A., Echin A.B., Surova V.A., Kablov D.E. Razvitie pro-cessa napravlennoj kristallizacii lopatok GTD iz zharoprochnyh i intermetallidnyh splavov s monokristallicheskoj strukturoj [The development process of directional solidification of high-temperature gas turbine engine blades and intermetallic alloys with a single-crystal structure] //Vestnik MGTU im. N.Je. Baumana. Ser. «Mashinostroenie». 2011. №SP2. S. 20-25.
8. Splav na osnove intermetallida Ni3Al [Alloy based on Ni3Al intermetallic]: pat.
2434067 Ros. Federacija; opubl. 01.07.2010.
9. Splav na osnove intermetallida Ni3Al [Alloy based on Ni3Al intermetallic]: pat.
2434068 Ros. Federacija; opubl. 05.10.2010.
10. Zharoprochnyj splav na nikelevoj osnove dlja monokristallicheskogo lit'ja [Superalloy based on nickel single crystal casting]: pat. 2439184 Ros. Federacija; opubl.
05.10.2010.
11. Kablov E.N., Ospennikova O.G., Bazyleva O.A. Materialy dlja vysokoteplonagruzhen-nyh detalej gazoturbinnyh dvigatelej [Materials for high-thermal components of gas turbine engines] //Vestnik MGTU im. N.Je. Baumana. Ser. «Mashinostroenie». 2011. №SP2. S. 13-19.
12. Kablov E.N., Mubojadzhjan S.A. Zharostojkie i teplozashhitnye pokrytija dlja lopatok turbiny vysokogo davlenija perspektivnyh GTD [Heat-resistant and heat-protective
coatings for high-pressure turbine blades looking GTE] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 60-70.
13. Kablov E.N., Mubojadzhjan S.A. Ionnoe travlenie i modificirovanie poverhnosti ot-vetstvennyh detalej mashin v vakuumno-dugovoj plazme [Ion etching and surface modification of critical components of machinery on a vacuum arc plasma] //Vestnik MGTU im. N.Je. Baumana. Ser. «Mashinostroenie». 2011. №SP2. S. 149-163.
14. Kablov E.N., Muboyadzhyan S.A. Heat-resistant coatings for the high-pressure turbine blades of promising gtes //Russian metallurgy (Metally). 2012. №1. S. 1-7.
15. Matveev P.V., Budinovskij S.A., Mubojadzhjan S.A., Kos'min A.A. Zashhitnye zharostojkie pokrytija dlja splavov na osnove intermetallidov nikelja [Heat-resistant protective coatings for intermetallic alloys based on nickel] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2013. №2. S. 12-15.
16. Mubojadzhjan S.A., Aleksandrov D.A., Gorlov D.S., Egorova L.P., Bulavinceva E.E. Zashhitnye i uprochnjajushhie ionno-plazmennye pokrytija dlja lopatok i drugih ot-vetstvennyh detalej kompressora GTD [Protecting and strengthening the ion-plasma coatings for blades and other parts of responsibility compressor GTE] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 71-81.
