CC BY
103
ВИАМ/2014-Тр-06-04
УДК 629.7.023.224
ЖАРОСТОЙКОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СЛОЖНОЛЕГИРОВАННЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ОТ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОВОЙ КОРРОЗИИ
С. Ст. Солнцев
В. В. Швагирева кандидат технических наук
Н.В. Исаева
Г.А. Соловьева
Июнь 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 научно-исследовательских 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», №6, 2014 г.
УДК 629.7.023.224
С.Ст. Солнцев1, В.В. Швагирева1, Н.В. Исаева1, Г.А. Соловьева1
ЖАРОСТОЙКОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СЛОЖНОЛЕГИРОВАННЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ОТ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОВОЙ КОРРОЗИИ
Разработано покрытие ЭВК-104М, обеспечивающее защиту высокопрочного слож-нолегированного никелевого сплава ВЖ159, предназначенного для деталей и узлов ГТД, работающих в особо теплонапряженных условиях, от высокотемпературной газовой коррозии при температуре 1050°С длительно и при температуре 1200°С кратковременно. Ключевые слова: никелевые сплавы, окисление, покрытие, жаростойкость.
S.St. Solncev, V.V. Shvagireva, N.V. Isaeva, G.A. Solovyeva
HIGH TEMPERATURE COATING FOR PROTECTION OF HIGH-STRENGTH COMPLEX ALLOYED OF NICKEL ALLOYS OF HIGH-TEMPERATURE GAS CORROSION
Developed coating EVK-104M to ensure the protection of high-strength difficult dope nickel alloy residence VZH159 intended for parts and components of gas turbine engines operating in the specially heat-stressed conditions of high temperature gas corrosion at temperature 1050°C long-and at a temperature of1200°C briefly.
Keywords: nickel alloys, oxidation, coating, heat resistance.
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]
Для изготовления деталей и узлов ГТД, работающих в особо теплонапряженных условиях до температур 1050°С длительно и 1200°С кратковременно, разработан жаропрочный никелевый листовой сплав ВЖ159. Особенностями этого сплава являются высокие характеристики пластичности и технологичности. При этом прочностные свойства и длительная прочность в диапазоне рабочих температур от 650 до 1000°С находятся на высоком уровне. Сплав значительно превосходит по термостойкости все серийные гомогенные сплавы на Ni-Cr, Ni-Cr-Co основах. В химическом составе сплав не содержит дефицитные легирующие элементы Co и W [1-5].
Однако жаростойкость сплавов на никелевой основе зависит от типа кристаллической структуры оксидов, их состава, дисперсности и рекристаллизации. Механизмы окисления никелевых сплавов определяются скоростью диффузии сплава и химических реакций, протекающих в окалине.
Кроме того, никелевые сплавы склонны к межкристаллитной коррозии при воздействии высокотемпературного газового потока, обладают низкой коррозионной стойкостью в общеклиматических условиях и нуждаются в применении жаростойких защитных покрытий. В связи с этим при выборе направления разработки защитного покрытия особое внимание уделялось изучению кинетики окисления сплава ВЖ159, состава оксидной пленки в интервале рабочих температур 1000-1050°С [6-21].
Исследования проводили на образцах размером 10*10x1,5 мм, изготовленных из холоднокатаного листа, прошедшего полный цикл термической обработки (рис. 1). Установлена параболическая зависимость окисления сплава при температурах до 1000°С. Жаростойкость сплава оценивали по привесу образцов при продолжительности испытаний 100 ч: при 1050°С привес составляет 17 г/м2.
В процессе окисления на поверхности никелевых сплавов образуется оксидная пленка, состав которой изменяется в зависимости от температуры и продолжительности выдержки. На поверхности жаропрочных никелевых сплавов при указанных температурах, как правило, образуется несколько слоев:
- поверхностный тонкий оксидный слой - №(№0) и №0М203;
- глубокий слой, обогащенный легирующими элементами.
Продолжительность обработки, ч
Рисунок 1. Окисляемость сплава ВЖ159 (1, 2 - без покрытия; 3, 4 - с покрытием) в интервале температур 1000-1050°С
При кратковременном воздействии температур образуются оксиды шпинельного типа с включением N10 и а-Сг203. С повышением температуры окалина в основном состоит из Сг203 и фазы №Сг204. Присутствие в сплаве молибдена и ниобия приводит к увеличению окисляемости сплава за счет рыхлого подокаленного слоя.
Исследование кинетики окисления сплава ВЖ159 в интервале температур 900-1050°С показало, что с ростом температуры интенсивность окисления увеличивается, что приводит к снижению его эксплуатационных свойств и необходимости применения жаростойкого защитного покрытия, которое должно удовлетворять следующим требованиям:
- температура начала размягчения покрытия должна быть ниже температуры интенсивного окисления сплава;
- температурно-временнью параметры формирования покрытия не должны снижать механические свойства сплава.
Кроме того, необходимо учитывать, что поверхность сплава при высоких температурах является не только объектом защиты от окисления, но и фактором, влияющим на состав и свойства покрытия. Формирование и свойства покрытия определяются следующими основными свойствами:
- химическим составом исходных компонентов;
- чистотой исходных компонентов (составом и количеством примесей);
- гранулометрическим составом.
В связи с этим защитные покрытия должны регламентировать окисление поверхности сплава и способствовать растворению оксидов в слое покрытия. За основу при разработке покрытия для защиты жаропрочного сплава ВЖ159 выбрана силикатная система 8Ю2-Ба0-Б203-А1203. Однако составы в данной системе с высоким (>15% по массе) содержанием А1203 отличаются повышенной тугоплавкостью, в связи с чем синтез покрытия проводился путем оптимизации тугоплавких и легкоплавких фаз, с целью получения покрытия с заданными параметрами:
- температура начала размягчения не более 790-820°С;
- температура формирования покрытия в пределах 1100-1150°С.
Исследованы термические характеристики синтезированных составов (см. таблицу).
Формирование составов покрытия происходит в интервале температур 1150-1210°С,
что неприемлемо для сплава ВЖ159. С целью снижения температуры формирования покрытия использовали эффект реакционного отверждения путем введения тетрабори-да кремния Б1Б4, что позволило снизить температуру формирования разработанного покрытия до 1100-1150°С и температуру начала размягчения - до 790°С, обеспечить
высокую прочность сцепления покрытия с металлической подложкой. В результате исследований разработано покрытие ЭВК-104М для защиты сложнолегированного сплава ВЖ159.
Термические характеристики покрытия в системе 8Ю2-ВаО-В2О3-А12О3
Номер состава Соотношение между компонентами А120з/Ва0+В20з Температура формирования покрытия ПК Температура начала размягчения ТКЛР: а106, К-1
°С
1 0,7 1150 820 4,6
2 1,5 1200 870 5,3
3 1,8 1210 890 4,4
Эффективность защитного действия покрытия ЭВК-104М оценивалась по основным показателям:
- жаростойкость - применение покрытия снижает окисление сплава при температурах 1000-1050°С в 5-8 раз:
Привес образцов при 1000°С, г/м2
без покрытия.................................17
с покрытием..................................6;
- термостойкость:
Температура, °С Количество циклов
1000±20 .....................................200
1050±20 ..................................... 80;
- коррозионная стойкость - покрытие стойко к действию низких температур, к солевому туману, тропическому климату и обеспечивает работоспособность во всеклима-тических условиях; применение покрытия снижает удельную потерю массы образцов сплава - до 14 раз;
- механические свойства сплава - значения длительной прочности сплава с покрытием находятся на уровне ТУ.
Данные по жаростойкости покрытия подтверждены металлографическими исследованиями: на образцах без покрытия присутствует дефектный слой, на образцах с покрытием дефектного слоя не наблюдается. Кроме того, удельная потеря массы образцов из жаропрочного сплава ВЖ159 в продуктах сгорания топлива (ТС-1) в интервале температур 980-1020°С составляет 0,12-0,24 г/(м2ч). Применение стеклокристаллического покрытия ЭВК-104М снижает удельную потерю массы образцов в 6-8 раз (рис. 2).
В результате проведенных исследований разработано жаростойкое покрытие ЭВК-104М для защиты высокопрочных сложнолегированных никелевых сплавов, предназначенных для изготовления деталей и узлов ГТД, работающих в особо теплонапря-женных условиях, от высокотемпературной газовой коррозии при температурах до 1050°С длительно и до 1200°С кратковременно (при забросах).
Рисунок 2. Удельная потеря массы образца из сплава ВЖ159 в продуктах сгорания топлива (ТС-1)
Покрытие ЭВК-104М обладает высокой коррозионной стойкостью, стойкостью к циклическим нагрузкам под напряжением, солевому туману и тропическому климату, а также к действию низких температур.
Покрытие повышает надежность и ресурс работы изделий в 1,5-2 раза, обеспечивает работоспособность во всеклиматических условиях.
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. Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий //Авиационные материалы и технологии. 2012. №Б. С. 19-36.
3. Солнцев С.С. Высокотемпературные стеклокерамические материалы и покрытия -перспективное направление авиационного материаловедения //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2009. №1. С. 26-37.
4. Каблов Е.Н., Гращенков Д.В., Исаева Н.В., Солнцев С.С. Перспективные высокотемпературные керамические композиционные материалы //Российский химический журнал. 2010. Т. ЬГУ. №1. С. 20-24.
5. Ваганова М.Л., Щеголева Н.Е., Гращенков Д.В. Перспективы развития высокотемпературных керамических композиционных материалов //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2013. №5. С. 8-14.
6. 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. С. 77-81.
7. Солнцев С.С., Исаева Н.В., Швагирева В.В., Соловьева Г.А. Жаростойкие эмалевые покрытия для защиты коррозионностойких сталей и жаропрочных сплавов от воздействия агрессивных сред /В сб. Авиационные материалы и технологии. 2008. №1. С 29-31.
8. Солнцев С.С., Исаева Н.В., Швагирева В.В., Соловьева Г.А. Высокотемпературные жаростойкие эмалевые покрытия для защиты от коррозионного воздействия продуктов сгорания топлива теплонагруженных элементов из коррозионностой-ких сталей и жаропрочных сплавов /В сб. Авиационные материалы и технологии. 2008. №4. С 16-18.
9. Каблов Е.Н., Мубояджан С. А. Жаростойкие теплозащитные покрытия для лопаток турбины высокого давления перспективных ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 60-70.
10. Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Гаямов А.М., Смирнов А.А. Получение керамических теплозащитных покрытий для рабочих лопаток турбин авиационных ГТД магнетронным методом //Авиационные материалы и технологии. 2012. №4. С. 3-8.
11. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Сидоров В.В., Ригин В.Е., Каблов Д.Е. Особенности технологии выплавки и разливки современных литейных высокожаропрочных никелевых сплавов //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 68-78.
12. Солнцев С.С., Швагирева В.В., Исаева Н.В., Соловьева Г.А. Армированные жаростойкие стеклоэмали для камер сгорания газотурбинных двигателей //Авиационные материалы и технологии. 2010. №1. С. 26-29.
13. Солнцев С.С., Розененкова В.А., Миронова Н.А., Гаврилов С.В. Керамические покрытия для защиты высокопрочной стали при термической обработке //Авиационные материалы и технологии. 2011. №4. С. 3-8.
14. Солнцев С.С. Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали. М.: Машиностроение. 1984. 255 с.
15. Химическая технология стекла и ситаллов /Под ред. Н.М. Павлушкина. М.: Стройиздат. 1983. 432 с.
16. Аппен А.А. Температуроустойчивые неорганические покрытия. М.-Л.: Химия. 1976. 107 с.
17. Солнцев С.С., Розененкова В.А., Исаева Н.В. Разработка и применение в авиакосмической технике стеклокерамических покрытий и материалов /В сб. 75 лет «Авиационные материалы»: Избранные труды ВИАМ. 1932-2007. М.: ВИАМ. 2007. С. 99-107.
18. Солнцев Ст.С., Розененкова В.А., Миронова Н.А., Соловьева Г.А. Высокотемпературные покрытия для волокнистых субстратов //Труды ВИАМ. 2013. №10. Ст. 03 (viam-works.ru).
19. Розененкова В.А., Солнцев Ст.С., Миронова Н.А. Комплексная защита бериллие-вых сплавов от окисления и сублимации токсичных паров бериллия //Труды ВИ-АМ. 2013. №5. Ст. 03 (viam-works.ru).
20. Каблов Е.Н., Солнцев С.С., Розененкова В.А., Миронова Н.А. Современные полифункциональные высокотемпературные покрытия для никелевых сплавов, уплотнительных металлических волокнистых материалов и бериллиевых сплавов //Новости материаловедения. Наука и техника. 2013. №1 (materialsnews.ru).
21. Розененкова В. А., Солнцев Ст.С., Миронова Н.А. Тонкопленочные покрытия для уплотнительных истираемых материалов на основе дискретных волокон для проточного тракта ГТД //Труды ВИАМ. 2013. №5. Ст. 04 (viam-works.ru).
REFERENCES LIST
1. Kablov E.N. Strategic directions of development of materials and technologies of their processing for the period till 2030 [Strategic directions of development of materials and technologies to process them for the period up to 2030] //Aviation materials and technologies. 2012. №S. P. 7-17.
2. Ospennikova O.G. Strategy of development of high-temperature alloys and steels special purpose, protection and thermal barrier coatings [The development strategy of superalloys and special steel, protective and thermal barrier coatings] //Aviation materials and technologies. 2012. №S. P. 19-36.
3. Solncev S.S. High-temperature glass-ceramic materials and coatings - a perspective direction of aviation materials [High-temperature glass-ceramic materials and coatings - a promising direction aviation materials] //All materials. Encyclopedic reference. 2009. №1. P. 26-37.
4. Kablov E.N., Grashenkov D.V., Isaeva N.V., Solncev S.S. Promising high-temperature ceramic composite materials [Promising high-temperature ceramic composites] //Russian chemical journal. 2010. T. LIV. №1. P. 20-24.
5. Vaganova M.L., Shegoleva N.E., Grashenkov D.V. Prospects of development of high-temperature ceramic composite materials [Prospects for the development of high-temperature ceramic composites] //All materials. Encyclopedic reference. 2013. №5. P. 8-14.
6. Solncev S.S., Isaeva N.V., Shvagireva V.V., Maksimov V.I. High-temperature coatings for the protection of alloys and carbon-ceramic composite materials from oxidation [High-temperature protective coatings for alloys and composite materials uglerodkeram-icheskih from oxidation] //Conversion in mechanical engineering. 2004. №3. P. 77-81.
7. Solncev S.S., Isaeva N.V., Shvagireva V.V., Solovyeva G.A. Heat-resistant enamel coating for corrosion protection of steel and superalloys, from the effects of aggressive environments [Heat-resistant enamel coatings for corrosion protection of steel and heat resisting alloys from corrosion] /In: Aviation materials and technologies. 2008. №8. P. 29-31.
8. Solncev S.S., Isaeva N.V., Shvagireva V.V., Solovyeva G.A. High-temperature heat-resistant enamel coating for protection against corrosive products of combustion of fuel-loaded elements of corrosion-resistant steels and superalloys [High-temperature heat-resistant enamel coatings for protection against corrosion effects of the combustion products of thermally loaded components of corrosion resistant steels and superalloys] /In: Aviation materials and technologies. 2008. №4. P. 16-18.
9. Kablov E.N., Muboyadjan S.A. Heat-resistant thermal barrier coatings for turbine blades of high pressure promising gas-turbine engines [Heat-resistant heat-resistant coatings for high-pressure turbine blades looking GTE] //Aviation materials and technologies. 2012. №S. P. 60-70.
10. Muboyadjan S.A., Budinovskiy S.A., Gayamov A.M., Smirnov A.A. Receipt of ceramic thermal barrier coatings for the rotor blades of gas turbine engines magnetron method [Preparation of ceramic thermal barrier coatings for turbine blades of aircraft GTE magnetron sputtering] //Aviation materials and technologies. 2012. №4. P. 3-8.
11. Kablov E.N., Ospennikova O.G., Sidorov V.V., Rigin V.E., Kablov D.E. Features of the technology of melting and pouring of modern foundry high-heat-resistant nickel alloys [Technology features modern smelting and casting casting nickel-base superalloys] //Vestnik MGTU N.E.Baumana. «Engineering». 2011. №SP2. P. 68-78.
12. Solncev S.S., Shvagireva V.V., Isaeva N.V., Solovyeva G.A. Reinforced heat-resistant glass-enamel for combustion chambers of gas turbine engines [Reinforced heat resistant vitreous for combustors of gas turbine engines] //Aviation materials and technologies. 2010. №1. P. 26-29.
13. Solncev. S.S, Rozenenkova V.A., Mironova N.A., Gavrilov S.V. Ceramic coatings for protection of high-strength steel heat treatment [The ceramic coating to protect the high-strength steel during heat treatment] //Aviation materials and technologies. 2011. №4. P. 3-8.
14. Solncev S.S. Technological protection coverage and refractory enamel [Protective technological coatings and refractory enamel]. M.: Engineering. 1984. 255 p.
15. Chemical technology of glass and glass ceramics [Chemical technology of glass and ceramics] Edited by N.M. Pavlushkina. M.: Stroiizdat. 1983. 432 р.
16. Appen A.A. Temperature-stable inorganic coatings [Thermally stable inorganic coatings]. M.-L.: Chemistry. 1976. 107 р.
17. Solncev S.S., Rozenenkova V.A., Isaeva N.V. The development and use of aerospace technique of glass-ceramic coatings and materials [Development and application in aerospace engineering glass-ceramic coatings and materials] /In: Aviation materials and technologies. Selected works VIAM. 1932-2007. M.: VIAM. 2007. P. 99-107.
18. Solncev St.S., Rozenenkova V.A., Mironova N.A., Solovyeva G.A. High-temperature coatings for fibrous substrates [High temperature coatings for fibrous substrates] //Works of VIAM. 2013. №10. St. 03 (viam-works.ru).
19. Rozenenkova V.A., Solncev St.S., Mironova N.A. Complex protection of beryllium alloys and sublimation toxic fumes of beryllium [Comprehensive protection for beryllium alloys from oxidation and sublimation toxic fumes of beryllium] //Works of VIAM. 2013. №5. St. 03 (viam-works.ru).
20. Kablov E.N., Solncev S.S., Rozenenkova V.A., Mironova N.A. Modern multifunctional high-temperature coatings for nickel alloys, metal sealing of fibrous materials and beryllium alloys [Modern polyfunctional high-nickel alloy coatings, sealing materials and fibrous metal beryllium] //News of materials science. Science and technology. 2013. №1 (materialsnews.ru).
21. Rozenenkova V.A., Solncev St.S., Mironova N.A. Thin film coatings for o-wear materials on the basis of discrete fibers for duct of gas-turbine engine [Thin film coatings for sealing abrasive materials on the basis of discrete fibers to the flow path GTE] //Works of VIAM. 2013. №5. St. 04 (viam-works.ru).
