CC BY
42
УДК 629.7.023.224:669.017.165 А.А. Косъмин , С.А. Будиновский1
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО ПОКРЫТИЯ СДП-42+ВСДП-18 НА ЖАРОСТОЙКОСТЬ И ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО СПЛАВА ВИН3 ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ 1200°С
Представлены результаты исследований циклической и изотермической жаростойкости, а также длительной прочности нового интерметаллидного сплава ВИН3 с кон-денсационно-диффузионным ионно-плазменным покрытием СДП-42+ВСДП-18 при температуре 1200°С на базе испытаний до 500 ч. Показано, что конденсационно-диффузионное покрытие СДП-42 (Ni-Cr-A-Ta-W-Y-Hf)+BCfln-18 (Al-Ni-Cr-г) обеспечивает защиту сплава ВИН3 в условиях циклического окисления при температурах 1200^200°С на базе 100 циклов и изотермического окисления при 1200°С на базе 500 ч. Покрытие системы СДП-42+ВСДП-18 не снижает паспортных характеристик длительной прочности сплава ВИН3 при температуре испытаний 1200°С на базах 10, 100 и 500 ч.
Ключевые слова: ионно-плазменные покрытия, ионно-плазменная технология, интер-металлидные сплавы, лопатки турбин.
Results of research of cyclic and isothermal heat resistance and long-term strength of new VIN3 intermetallic alloy with overlay ion-plasma SDP-42+VSDP-18 coating at 1200°C are shown on a base of tests up to 500hrs. It is shown that overlay ion-plasma coating SDP-42 (Ni-Cr-Al-Ta-W-Y-Hf)+VSDP -18 (Al-Ni-Cr-Y) ensures a protection of VIN3 alloy within cyclic oxidation at 1200^200°C (100 cycles) and isothermal oxidation at 1200°C (500 hours). The coating of SDP-42+VSDP-18 system does not reduce passport characteristics of long-term strength of VIN3 alloy at 1200°C (10, 100 and 500 hours).
Keywords: ion-plasma coatings, ion-plasma technology, intermetallic alloys, turbine blades.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «Ail-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
В настоящее время повышение тактико-технических характеристик авиационных газотурбинных двигателей невозможно без применения новых материалов, обладающих более высокими температурными и прочностными характеристиками по сравнению с серийными жаропрочными сплавами [1, 2].
Для комплексного повышения служебных характеристик существующих конструкций ГТД, в том числе продления ресурса работы, снижения массы и повышения рабочих температур, перспективным является применение интерметаллидных сплавов на никелевой основе [3-5]. В ВИАМ разработан ряд интерметаллидных литейных никелевых сплавов серии ВИН, обладающих пониженной плотностью и удовлетворительным комплексом механических свойств при температурах до 1200°С на базах испытаний до 1000 ч [6-9]. Однако обеспечение длительных ресурсов работы деталей турбин из интерметаллидных сплавов в условиях интенсивных теплосмен не представляется возможным без применения защитных покрытий [10-14].
В ВИАМ выполнен ряд исследований, направленных на создание эффективного жаростойкого покрытия для перспективного интерметаллидного жаропрочного никеле-
вого сплава ВИНЗ. По предварительным результатам испытаний на жаростойкость предложено новое покрытие СДП-42 (№-Cr-Al-Ta-W-Y-Hf)+BC,qn-18 (Al-Ni-Cr-Y), которое обеспечило защиту сплава при температурах до 1200°С. По характеристикам жаростойкости покрытие превосходит серийно используемые в промышленности покрытия типа СДП-2+ВСДП-16, а также обладает меньшей стоимостью по сравнению с ранее разработанными покрытиями, содержащими рений [15].
В связи с этим проведены работы по оценке влияния покрытия СДП-42+ВСДП-18 на характеристики длительной прочности сплава ВИНЗ и по определению жаростойких характеристик композиции «сплав-покрытие» при температуре 1200°С.
Материалы и методы
Покрытия наносили на монокристаллические образцы из сплава ВИНЗ с кристаллографической ориентацией <001> на вакуумной ионно-плазменной установке МАП-2 с автоматизированной системой управления технологическим процессом [16].
Испытания на изотермическую жаростойкость проводили в соответствии с ГОСТ 6130 на дисковых образцах 025 мм и высотой 3 мм в атмосферной печи в керамических тиглях с крышками при температуре 1200°С.
Исследования на циклическую жаростойкость проводили на дисковых образцах 025 мм и высотой 3 мм. Один цикл продолжительностью 1 ч включал в себя выдержку при температуре 1200°С в течение 50 мин и охлаждение на воздухе в течение 10 мин до температуры 200°С.
Оценка изотермической и циклической жаростойкости сплава с покрытием и без него 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.
Характеристики длительной прочности определяли при температуре 1200°С на базах испытаний до 500 ч на установке ZST2/3-BH3T в соответствии с ГОСТ 10145-81.
Микроструктуру композиций «сплав-покрытие» исследовали на оптическом микроскопе Olympus GX51.
Результаты
Результаты исследования циклической жаростойкости образцов из сплава ВИНЗ с защитными покрытиями СДП-42+ВСДП-18 и СДП-2+ВСДП-16 (общей толщиной 80 мкм) при температурах 1200^200°С на базе испытаний 100 циклов представлены на рис. 1. Видно, что имеет место рост массы образцов с покрытием СДП-42+ВСДП-18 -до 10 г/м . Разрушения основного материала образца не происходит. Масса оксидов, сформировавшихся в поверхностном слое покрытия, превышает массу осыпавшейся окалины, что указывает на высокие защитные свойства покрытия. Образцы без покрытия и с покрытием СДП-2+ВСДП-16 демонстрируют ускоренное разрушение поверхности в условиях испытаний.
а) б)
Продолжительность испытаний, ч
Рис. 1. Зависимость удельного изменения массы образцов из сплава ВИНЗ с покрытиями СДП-2 (80 мкм)+ВСДП-18 (60 г/мм2) (▲), СДП-42 (80 мкм)+ВСДП-18 (60 г/мм2) (■) и без покрытия (•) от продолжительности испытаний на циклическую жаростойкость при температурах 1200^200°С (а) и на изотермическую жаростойкость при температуре 1200°С (б)
Результаты исследования изотермической жаростойкости образцов из сплава ВИНЗ с защитными покрытиями при температуре 1200°С на базе испытаний 500 ч приведены на рис. 2. Видно, что после 400-500 ч испытаний образцы с покрытием СДП-42+ВСДП-18 имеют незначительную потерю массы (на уровне 10-15 г/м ) и превосходят по жаростойкости серийное покрытие СДП-2+ВСДП-16.
Рис. 2. Микроструктура (*300) образцов из сплава ВИНЗ с покрытием СДП-42 (80 мкм)+ВСДП-18 (60 г/мм2) после испытаний на изотермическую жаростойкость при температуре 1200°С на базе 500 ч (а) и циклическую жаростойкость при температурах 1200^200°С на базе 100 циклов (б)
По результатам испытаний на жаростойкость видно, что сплав ВИНЗ при температуре 1200°С катастрофически быстро окисляется и без защитного покрытия применяться при данной температуре не может.
Проведены металлографические исследования образцов из сплава ВИНЗ с защитным покрытием после испытаний на изотермическую и циклическую жаростой-
кость. На поле шлпфа образца после циклических испытаний (см. рис. 2, б) наблюдаются значительные участки «темной» фазы, представляющие собой, по-видимому, жаростойкую Р-фазу, вследствие чего можно сделать вывод, что деградации покрытия не происходит. На образце после испытаний на изотермическую жаростойкость (см. рис. 2, а) жаростойкой Р-фазы значительно меньше, что связанно с большей длительностью испытаний и, как следствие, со снижением содержания алюминия в покрытии вследствие расходования его на поддержание защитной оксидной пленки на поверхности образца, а также диффузии в сплав-покрытие защищаемого материала (ВИНЗ). Основной фазой в покрытии после испытаний является у'-фаза, также обладающая высокой жаростойкостью, среднее содержание алюминия в слое покрытия составляет 9-10% (по массе), что свидетельствует о том, что покрытие сохранилось и продолжает выполнять свои защитные функции на заданной базе испытаний.
100
ев
С
5 50
&
ев
Я
\ \
\ \
\ \
\ \
\
\ \
\ \
О • ""О ® \
\ \
\ \
\ \
\ \
О4^) о»
\ \
\
\
10
102
103
т, ч
Рис. 3. Результаты испытаний образцов из сплава ВИНЗ с покрытием СДП-42 (80 мкм)+ВСДП-18 (60 г/мм2) (•) толщиной 89 мкм и без покрытия (о) на длительную прочность при 1200°С
Исследования длительной прочности образцов из сплава ВИНЗ с защитным покрытием СДП-42+ВСДП-18 проводили при температуре 1200°С на базах испытаний 10, 100 и 500 ч. Долговечность образцов из сплава ВИНЗ с покрытием при испытаниях на длительную прочность в сравнении с паспортными характеристиками сплава представлена на рис. 3.
Обсуждение и заключения
Сплав ВИНЗ при температуре 1200°С не обладает необходимой жаростойкостью и без защитного покрытия применяться не может.
Конденсационно-диффузионное покрытие СДП-42 (Ni-Cr-Al-Ta-W-Y-Hf)+ +ВСДП-18(А1-№-Сг-У) обеспечивает защиту сплава ВИНЗ в условиях циклического окисления при температурах 1200^200°С на базе 100 циклов и изотермического - при 1200°С на базе 500 ч.
Покрытие системы СДП-42+ВСДП-18 не снижает паспортных характеристик длительной прочности сплава ВИНЗ при температуре испытаний 1200°С на базах 10, 100 и 500 ч.
0
ЛИТЕРАТУРА
1. Иноземцев A.A., Ннхамкнн М.А., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двига-
телей и энергетических установок. М.: Машиностроение. 2008. Т. 2. С. 159-192.
2. Каблов E.H., Сидоров В.В., Каблов Д.Е. и др. Современные технологии получения прутковых заго-
товок из литейных жаропрочных сплавов нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 97-105.
3. Каблов E.H., Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демонис ИМ. Никелевые литейные жаропрочные сплавы нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. C. 36-52.
4. Базылева O.A., Аргинбаева Э.Г., Туренко Е.Ю. Жаропрочные литейные интерметаллидные сплавы
//Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 57-60.
5. Каблов E.H., Бондаренко Ю.А., Ечин А.Б., Сурова В.А., Каблов Д.Е. Развитие процесса направлен-
ной кристаллизации лопаток ГТД из жаропрочных и интерметаллидных сплавов с монокристаллической структурой //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 20-25.
6. Сплав на основе интерметаллида Ni3Al: пат. 2434067 Рос. Федерация; опубл. 01.07.2010.
7. Сплав на основе интерметаллида Ni3Al: пат. 2434068 Рос. Федерация; опубл. 05.10.2010.
8. Жаропрочный сплав на никелевой основе для монокристаллического литья: пат. 2439184 Рос. Федерация; опубл. 05.10.2010.
9. Каблов E.H., Оспенникова О.Г., Базылева O.A. Материалы для высокотеплонагруженных деталей газотурбинных двигателей //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 13-19.
10. Каблов E.H., Мубояджян С. А. Жаростойкие и теплозащитные покрытия для лопаток турбины высокого давления перспективных ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. C. 60-70.
11. Каблов E.H., 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.
12. Kablov E.N., Muboyadzhyan S.A. Heat-resistant coatings for the high-pressure turbine blades of promising GTES //Russian metallurgy (Metally). 2012. V. 2012. №1. P. 1-7.
13. Muboyadzhyan S.A., Kablov E.N. Vacuum plasma technique of protective coatings production of complex alloys //МиТОМ. 1995. №2. С. 15-18.
14. Каблов E.H., Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Помелов Я.А. Ионно-плазменные защитные покрытия для лопаток газотурбинных двигателей //Конверсия в машиностроении. 1999. №2. С. 42-47.
15. Матвеев П.В., Будиновский С.А., Мубояджян С.А., Косьмин A.A. 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. и др. Защитные и упрочняющие ионно-плазменные покрытия для лопаток и других ответственных деталей компрессора ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 71-81.
