CC BY
228
УДК 621.739.6: 669.245+ 621.431.75
КОНСТРУИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСНЫХ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ОХЛАЖДАЕМЫХ ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК
СОВРЕМЕННЫХ ГТД
© 2012 В. П. Лесников1, В. П. Кузнецов1, И. П. Конакова2, Е. В. Мороз2
1«ТУРБОМЕТ», г. Екатеринбург 2Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина,
г. Екатеринбург
Приведены сведения о разработках и исследованиях многослойных комплексных защитных покрытий для монокристаллических охлаждаемых рабочих лопаток турбины высокого давления (ТВД). Изучены структура, фазовый состав комплексных покрытий и реакционной зоны взаимодействия с монокристаллическими сплавами ЖС32-ВИ и ЖС36-ВИ. Исследовано влияние комплексных защитных покрытий на свойства жаропрочных никелевых сплавов.
Монокристаллический жаропрочный никелевый сплав, комплексные жаростойкие покрытия, структу-
ра, фазовый состав, свойства.
Введение
Длительная эксплуатация рабочих и сопловых лопаток ТВД из монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС) невозможна без защитных покрытий, так как современные ЖНС обладают низкой жаростойкостью при температуре эксплуатации. Несмотря на обширные литературные данные и многолетний опыт эксплуатации, выбор защитного покрытия для турбинных лопаток конкретных газотурбинных двигателей (ГТД) весьма затруднён и должен быть индивидуальным для каждого двигателя.
В настоящее время перспективные защитные покрытия для рабочих лопаток ГТД с заданным ресурсом при высоких температурах и требуемыми свойствами возможно получить только с использованием комбинации различных технологий: газоциркуляционной и ионно-плазменной. Газоциркуляционные покрытия (ГЦП) - самые эффективные и единственные покрытия для защиты внутренней полости и перфорационных отверстий охлаждаемых лопаток турбины, а ионно-плазменные покрытия (ИНН) - конденсационные покрытия различного типа для защиты внешней трактовой поверхности лопаток от газового потока продуктов сгорания топлива [1].
Различные условия работы защитных покрытий на наружной поверхности пера лопаток и её внутренней полости накладывают определённые условия на принципы конструирования защитных покрытий для
лопаток ТВД теплонапряжённых ГТД из сплавов с монокристаллической структурой. Температура внешней и внутренней поверхностей лопаток турбин при современном уровне тепловых потоков в ГТД отличается на 250 - 300°С, а внешняя трактовая поверхность лопаток современных ГТД работает при температурах 1150 - 1250°С. Защита поверхности внутренней полости и перфорационных отверстий охлаждаемых лопаток турбины имеет очень важное значение, так как в большинстве случаев разрушение лопаток начинается с зарождения микротрещин на этих поверхностях.
Методика проведения исследования
Защитные покрытия наносились на отливки монокристаллических образцов из сплавов ЖС32-ВИ и ЖС36-ВИ с кристаллографической ориентацией [001] после стандартной термической обработки [2]. Средний химический состав сплава ЖС32-ВИ [2]:
0,15%С; 4,9%Сг; 9,0%Со; 1,0%Мо; 8,5%\¥; 4,0%Та; 1,6%№>; 5,9%А1; 4,0%Яе; остальное - №. Средний химический состав сплава ЖС36-ВИ [2]: 4,0%Сг; 7,0%Со; 1,6%Мо; 11,7%\У; 1,1%М>; 5,8%А1; 1,1%Т1; 2,0%Яе; остальное - №.
Нанесение покрытий газоциркуляционным методом [газовое алитирование (ГА) и хромоалитирование ГЦП СгА1] осуществляли на установке типа ШГА-1 при 1000°С в течение 5-8 ч при избыточном давлении газовой среды 1,ЗМПа [3]. Процесс нанесения
ГЦП CrAl состоял из двух стадий: I - хромирование при 1000°С, 5 ч; II - алитирова-ние при 1000°С, 8 ч. ГА проводили при 1000°С, 8 ч. После нанесения ГЦП CrAl или ГА на поверхность образцов наносили ионно-плазменное покрытие на установке ионно-плазменного осаждения МАП-1 при токе вакуумной дуги 500-700А, электрическом потенциале подложки 5-1ОВ и в вакууме не хуже 10'2Па [4].
Испытания на длительную прочность проводили на стандартных 10-кратных цилиндрических образцах с диаметром рабочей части 5 мм, изготовленных механической обработкой литых и термически обработанных заготовок диаметром 14 мм при одноосном растяжении на машине ВПК-11.
Исследование структуры, фазового и химического состава сплавов и защитных покрытий проводили с использованием светового микроскопа «Neophot-32» с компьютерной приставкой, растрового электронного микроскопа «Philips SEM 535» с приставкой для микроанализа «EDAX».
Электронно-микроскопические исследования проводили методом дифракционной электронной микроскопии тонких фольг на просвет с использованием электронного микроскопа ЭМВ 100JI.
Результаты исследований и их обсуждение
Для теплонапряжённых охлаждаемых лопаток ТВД из монокристаллических сплавов ЖС32-ВИ и ЖС36-ВИ с кристаллографической ориентацией (КГО) [001] сконструированы высокоресурсные комплексные покрытия, обеспечивающие длительную защиту монокристаллических лопаток ТВД при эксплуатации (рис. 1). Трёхслойные покрытия получали по следующей схеме: формирование на поверхности сплава диффузионного барьерного слоя, последующее нанесение двухслойных конденсированных покрытий, состоящих из внутреннего легированного слоя на основе системы Ni-Cr-Al-Y и внешнего слоя на основе легированной Р-фазы.
Для монокристаллических рабочих лопаток ТВД из сплава ЖС32-ВИ на ресурс до 10000 часов разработано следующее комплексное защитное покрытие регламентированной толщины (60-80 мкм) [1]: ГЦП (ГА,
СгА1) на наружной и внутренней поверхностях лопатки толщиной 20-40 мкм после диффузионного отжига с содержанием в Р-фазе №А1 22-24 масс. % А1; покрытие СДП-2 толщиной 50-60 мкм на наружной поверхности по всему профилю; на входной и выходной кромке лопатки покрытие ВСДП-16 толщиной 15-20 мкм.
Рис. 1. Микроструктура комплексного градиентного покрытия на сплаве ЖСЗб-ВП [001] в исходном состоянии: 1 - ППП ВСДП18 (/3-фаза №А1); 2 - ПППЫ^СгАПаКеТ (смесь /?-, у- и у’- фаз);
3 - /3-фаза Ш41 ГЦП СгА1; 4 - диффузионная зона ГЦП СгА1; 5 - прослойка /-фазы между сплавом и ГЦП СгА1
Для теплонапряжённых охлаждаемых лопаток турбины из монокристаллического сплава ЖС36-ВИ [001] было разработано комплексное покрытие, представленное на рис. 1: ГЦП СгА1 + ИПП №СгА1ТаЯе¥ + ИЛИ А1№СгУ. Общая толщина диффузионно-конденсационного покрытия составляет 75-80 мкм [5].
После нанесения ГЦП СгА1 на наружной поверхности лопатки формируется естественный диффузионный барьер из Р - фазы №А1, который обеспечивает хорошую адгезию слоёв между собой и сплавом, имеет низкие параметры диффузии тугоплавких элементов как из сплава в покрытие, так и из конденсационного покрытия в сплав.
В исходном состоянии внешняя зона разработанных комплексных покрытий для сплавов ЖС32-ВЩ001] и ЖС36-ВЩ001] состоит из легированной хромом Р-фазы, содержащей 20-24% (масс.) А1. Внутренний слой покрытия состоит из смеси легирован-
ных Р-, у'- и у-фаз, а на границе со сплавом находится легированная Р-фаза, содержащая 18% (масс.) А1.
Результаты испытаний на жаростойкость при 1150°С сплава ЖС36-ВИ с защитным покрытием и без него приведены в табл.
1. Комплексное покрытие обеспечивает защиту сплава от окисления на базе испытаний 1000 часов, сохраняя свои защитные свойства.
Таблица 1. Изменение массы (привес) сплава ЖС36-ВИ [001] с градиентным покрытием при испытании на жаростойкость при 1150°С на воздухе
После высокотемпературных выдержек разработанные покрытия утрачивают своё слоистое строение (рис. 2), во внешней зоне покрытий происходит распад Р -^-у1, но сохраняется большое количество Р-фазы №А1, содержащей 16-17 масс. % А1. В ней также наблюдается слой легированной у'-фазы №зА1 и прослойки из смеси у+у' -фаз с мелкодисперсными выделениями.
Рис. 2. Микроструктура (х500) комплексного градиентного покрытия на сплаве ЖС36-ВІІ [001] после испытаний на жаростойкость при Г = 1150°С, г = 100 ч: 1 - легированная Р-фаза N141; 2 - у'-фаза Ш3АІ; 3 - смесь у+у'-фаз;4 - измененная зона из у’-фазы Ш3А1; 5 - основа
Градиент концентраций по алюминию на границах комплексного покрытия стабилизирует его структурное и фазовое состояние, а легирование внутреннего слоя Яе, Та и \У значительно повышает термостабильность за счёт снижения диффузионной проницаемости, что обеспечивает высокую работоспособность композиции «монокристалличе-ский сплав - защитное покрытие».
Были проведены испытания образцов с комплексными покрытиями, приближенные к эксплуатационным. Длительная прочность образцов с комплексным покрытием (испытания при I = 975 - 700° С и о = 300 - 885 МПа) возрастает на 20 - 50% по сравнению с образцами из сплава ЖС36-ВИ без покрытия, особенно в области высоких температур и напряжений (рис. 3).
1 2 3 4 5 6
Рис.З. Длительная жаропрочность сплава ЖСЗб-ВП [001] (тр — среднее время до разрушения, ч) при различных температурах и напряжениях: светлые столбики - без покрытия; темные столбики - с комплексным покрытием: 1 - Т = 975°С, а = 300МПа; 2 - Т = 975°С, сг = 340МПа;3 -Т = 975°С, а = 360 МПа; 4 - Т = 900°С, а = 475 МПа; 5-Т = 800°С, сг = 725 МПа; 6-Т= 700°С, а = 885 МПа
Также были проведены испытания на длительную прочность на воздухе образцов из сплава ЖС36-ВИ без покрытия и с покрытием (ГЦПСгА1 + ИПП №СгА1ТаЯе¥ + ИПП А1№СгУ) после высокотемпературных выдержек. На рис. 4 представлены результаты испытаний после высокотемпературных выдержек при 1150°С. Видно, что покрытие обеспечивает прирост долговечности образцов по сравнению с образцами без покрытия на 25 - 30 %.
Под комплексным покрытием на современных ЖНС образуется измененная зона, матрицей которой является у'-фаза, а в процессе высокотемпературных испытаний происходит рост измененной (реакционной) зоны (рис. 2, слой 4; рис. 5).
Т, Ч Апк г/мм ’
с покрытием без покрытия
50 1.5 10,0
100 3,8 15,6
200 6,4 23,1
400 10,5 40,1
600 12,0 -
1000 13,2 -
Т = 1150-С
Рис. 5. Микроструктура измененной зоны под комплексным покрытием ГЦП СгА1+ ПППЫ\СгА1ТаКеТ + ППП АШ\Сг¥ на сплаве ЖС36-ВП [001] после испытаний на жаростойкость при Т=1100 °С, г =500 ч
В изменённой зоне под покрытием в матрице из у'-фазы №зА1 происходит образование и рост вторичных фаз, обогащенных \У, Яе, Сг, Мо, которые представляют собой ц-фазу типа (N1, Со)у(Сг, \У, Яе, Мо)б [6]. Переход от игольчатой (пластинчатой) к глы-
бообразной и округлой формам вторичных фаз происходит по мере приближения из глубины сплава к покрытию на поверхности образца.
В последнее время для защиты внешней поверхности пера монокристаллической рабочей лопатки рассматривают применение теплозащитных покрытий (ТЗП), состоящих из внешнего керамического слоя и внутреннего металлического слоя.
Микроструктура комплексного ТЗП и распределение элементов в покрытии на сплаве ЖС32-ВИ приведены на рис. 6, 7. Толщина металлического слоя на наружной поверхности составила 80 мкм, а керамического слоя - 43 мкм. В итоге на наружной поверхности формируется многослойное покрытие.
Рис. 6. Микроструктура (х500) теплозащитного покрытия на наружной поверхности рабочей лопатки из сплава ЖС32-ВІІ [8]: 1 - 2г02 8 % (масс.) ¥203;
2 - р - фаза (ШСо); 3 - Иі-Со-Сг-АІ-Т слой;4 - /3- фаза (№Со) А1 газоциркуляционного покрытия;
5 - диффузионная зона газоциркуляционного покрытия; 6 - основа
о
го
^ 80
о
ЦбО
| 40
О 100 200 300 400 500
Время выдержки, час о - образцы с защитным покрытием, •- образцы без покрытия
Рис. 4. Длительная прочность образцов из сплава ЖСЗб-ВП [001] после высокотемпературных выдержек при 1150°С
40
20
5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125
Расстояние к поверхности покрытия,мкм
Рис. 7. Распределение элементов в теплозащитном покрытии на наружной поверхности рабочей лопатки из
сплава ЖС32-ВП [8]
Для расчётной оценки температурного и напряжённо-деформированного состояния сконструированных ТЗП на лопатках ТВД создана база данных физико-механических свойств всех слоёв ТЗП на жаропрочном никелевом сплаве лопаток в интервале температур 1000 - 1200 °С: коэффициент теплопроводности (X), удельная теплоёмкость (Ср), коэффициент температуропроводности
(а-102), термический коэффициент линейного расширения («,), модуль упругости (Е), механические свойства (оизг, Сеж, Сад, е-.,ИИ, О0.2, Св, 5) [7].
Был проведён тепловой расчёт плоской пластины толщиной 2,1 мм из сплава ЖС32-ВИ с комплексным ТЗП с учётом теплообмена между горячим воздухом и ТЗП, ТЗП и пластиной сплава (рис. 8). В расчётах приняты температура газа 1500°С, охлаждающего
Рис. 7. Изменение температуры элементов по 9 слоям 65 участкам пластины с ТЗП
Коэффициент теплоотдачи от газа к ТЗП 2057 Вт /м2К, от воздуха к сплаву ЖС32-ВИ 2418,5 Вт /м2К. Коэффициент теплоотдачи на торцах пластины 2418,5 Вт /м2К. Температура на торцах 1050°С.
Выводы
1. Защита от окисления монокристаллических охлаждаемых турбинных лопаток современных ГТД возможна созданием комплексных защитных покрытий - ГЦП ГА, ГЦП СгА1 + ИПП системы №-Сг-А1-У + ИЛИ системы А1-№-Сг-У в виде многослой-
ных композиций с барьерным слоем на основе (3-фазы №А1.
2. Комплексное градиентное покрытие ГЦП СгА1 +№СгА1ТаЯеУ + А1№СгУ обладает уникальными защитными свойствами при Т = 1100 - 1250°С и обеспечивает прирост длительной прочности монокристаллическо-го сплава ЖС36ВИ [001] на 25 - 30 %.
Заключение Комплексные покрытия используются в серийном производстве при изготовлении рабочих и сопловых лопаток ТВД современных авиационных двигателей ПС-90А2, Д-18Т, а также рекомендованы для защиты от окисления охлаждаемых турбинных лопаток перспективного двигателя ПД-14.
Библиографический список
1. Мубояджян, С.А. Комплексные защитные покрытия турбинных лопаток авиационных ГТД [Текст] / С.А. Мубояджян, В.П. Лесников, В.П. Кузнецов - Екатеринбург: Изд-во «Квист», 2008. - 208 с.
2. Каблов, Е.Н. Машиностроение. Энциклопедия. Т. П-З. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы. Литейные жаропрочные сплавы [Текст] / Е.Н. Каблов - М.: Машиностроение, 2001. - С. 519-594.
3. Лесников, В.П. Технология получения газоциркуляционных защитных покрытий [Текст] / В.П. Лесников, В.П. Кузнецов // Газотурбинные технологии. - 2000. - № 3. - С. 26 -30.
4. Мубояджян, С.А. Промышленная установка МАП-1 для нанесения защитных покрытий различного назначения [Текст] / С.А.
Мубояджян, С.А. Будиновский // Авиационная промышленность. - 1995. - № 7-8. - С. 44-48.
5. Градиентные комплексные защитные покрытия для монокристальных турбинных лопаток теплонапряженных ГТД [Текст] /
B.П. Кузнецов, В.П. Лесников, С.А. Мубояджян [и др.] // МиТОМ. - 2007. - № 5 (623). -
C. 41 -48.
6. Образование ц-фаз в переходной зоне диффузионного хромоалюминидного покрытия на жаропрочном никелевом сплаве [Текст] / Ю. Р. Немировский, М.С. Хадыев,
В.П. Лесников [и др.] // ФММ. - 2008. - Т. 106. -№4. - С. 1-10.
7. Кузнецов, В.П. Справочник. Структура и свойства жаропрочного никелевого
сплава ЖС32-ВИ [Текст] / В.П. Кузнецов, В.П. Лесников, И.П. Конакова - Екатеринбург: Изд-во «Квист», 2010. - 84 с.
DESIGN OF INTEGRATED PROTECTIVE COATINGS FOR SINGLE-CRYSTAL TURBINE BLADES MODERN COOLED GTE
© 2012 V. P. Lesnikov1, V. P. Kuznetsov1,1. P. Konakova2, E. V. Moroz2
1«TURBOMET», Yekaterinburg 2Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin, Yekaterinburg
The structure, phase composition and strength of long-term high-resource complex protective coatings for heat-cooled turbine blades from single-crystal nickel-base alloys.
Single-crystal nickel-base alloys, protective coatings, structure, phase composition, properties.
Информация об авторах
Лесников Владимир Петрович, доктор технических наук, директор, «ТУРБОМЕТ», г. Екатеринбург. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: жаропрочные сплавы и покрытия для газотурбинных двигателей.
Кузнецов Валерий Павлович, доктор технических наук, заместитель директора, «ТУРБОМЕТ», г. Екатеринбург. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: жаропрочные сплавы и покрытия для газотурбинных двигателей.
Конакова Ирина Павловна, кандидат технических наук, доцент кафедр «Инженерная графика» и «Обработка металлов давлением», Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: жаропрочные сплавы для газотурбинных двигателей.
Мороз Елена Всеволодовна, младший научный сотрудник кафедры термообработки и физики металлов, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: жаропрочные сплавы и покрытия для газотурбинных двигателей.
Lesnikov Vladimir Petrovich, doctor of technical sciences, director, «TURBOMET», Yekaterinburg. E-mail: [email protected]. Area of research: single-crystal nickel-base alloys and coatings for heat-cooled turbine blades.
Kuznetsov Valeriy Pavlovich, doctor of technical sciences, deputy director, «TURBOMET», Yekaterinburg. E-mail: [email protected]. Area of research: single-crystal nickel-base alloys and coatings for heat-cooled turbine blades.
Konakova Irina Pavlovna, candidate of technical science, associate professor of the department «Engineering graphics» and «Metal forming», Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin, Yekaterinburg. E-mail: [email protected]. Area of research: single-crystal nickel-base alloys for heat-cooled turbine blades.
Moroz Elena Vsevolodovna, fellow of the department «Heat treatment and metal physics», Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin, Yekaterinburg. E-mail: [email protected]. Area of research: single-crystal nickel-base alloys and coatings for heat-cooled turbine blades.
