CC BY
77
УДК 669.245.018.044:620.193.53
А. А. КРАВЕЦ, Е.И. ГОРДИЕНКО, О.А. КОРОГОД, В.Г. ПРОЧАН
Государственное предприятие Запорожское машиностроительное конструкционное бюро «Прогресс» им. академика А.Г.Ивченко, Украина
ПОЛУЧЕНИЕ ПРИРАБАТЫВАЕМОГО ЖАРОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ НА ПРОСТАВКАХ ТК МЕТОДОМ НУО?
В настоящей статье рассмотрено получение прирабатываемого жаростойкого покрытия Со№СгЛ1У методом высокоскоростного газопламенного напыления ИУОГ на проточной поверхности проставки турбины компрессора (ТК) газотурбинного двигателя. Рассмотрены преимущества данного способа нанесения покрытий по сравнению с другими методами газотермического напыления. Изучены особенности микроструктуры полученного покрытия и такие основные характеристики, как твердость и жаростойкость, обеспечивающие его работоспособность до 1040 °С. Проведены испытания, подтверждающие высокий уровень свойств полученного покрытия.
Ключевые слова: жаростойкие покрытия, высокоскоростное газопламенное напыление, твердость, микроструктура, термоциклирование, проставка.
1. Введение
В настоящее время актуальной задачей является поиск новых способов нанесения покрытий на детали газотурбинных двигателей. Одним из таких методов является высокоскоростное газопламенное нанесение HVOF. Преимуществами высокоскоростного газо-пламенного метода по сравнению с другими методами газотермического напыления являются достаточно высокая скорость частиц (до 750 м/с) и минимальная пористость получаемого покрытия (1 — 4%) [1,2]. На нашем предприятии используется оборудование HV-50 фирмы Flame Spray Technologies для нанесения покрытий методом HVOF с пистолетом JP-5000 (Tafa-Praxair, USA). Внешний вид устройства приведен на рисунке 1.
В сверхзвуковой распылительной системе JP-5000 используются простые и эффективные решения для создания высокого давления в камере сгорания и получения покрытий высокого качества.
Преимущества покрытий:
- высокая и регулируемая плотность покрытий;
- высокая и регулируемая твердость покрытия;
- высокая адгезия;
- получение покрытия толщиной более 12,7 мм.
Кроме того, у JP-5000 время напыления в четыре раза меньше, чем у обычных систем HVOF. Такое резкое увеличение скорости распыления и производительности JP-5000 определяет его в новую категорию оборудования HVOF: сверхзвуковое распыление высокого давления. (HP/HVOF) [3].
Система .1Р-5000 включает в себя пистолет, пульт управления и порошковый питатель. Каждый элемент оптимизирован, для получения высококачественных надежных и повторяемых покрытий.
Пистолет 1Р-5000 является сердцем системы. Большие инженерные усилия были направлены на разработку и тестирование данного устройства. Результатом является уникальная конструкция, которая обеспечивает значительно более качественное покрытие. Главный момент в конструкции, это радиальная подача порошка. Порошок вводят за соплом сгорания. Подача порошка в эту область более низкого давления способствует лучшему перемешиванию порошка, более равномерному нагреву, меньшему окислению и высоким скоростям частиц. Частицы имеют более низкую кинетическую энергию, но равномерно распределенную температуру по сравнению с другими орудиями НУОБ [4,5].
Рис. 1. Внешний вид устройства JP-5000
Уникальная конструкция .1Р-5000 генерирует высокое давление сгорания до 8,2 Бар (против 2-4 Бар в других НУОБ) и превосходную ско-
© А.А. Кравец, Е.И. Гордиенко, О.А. Корогод, В.Г. Прочан, 2014
рость газа 2,190 м/сек (против 1,460-1,800 м/с в других). Это приводит к более высокой твердости и плотности покрытий [6].
Эти конструктивные особенности позволяют использовать порошки большего гранулометрического размера. В большинстве случаев. это позволит снизить стоимость порошков. Основное преимущество более крупных частиц, в том что они имеют меньшую площадь поверхности, что снижает окисление и уменьшает уровень кислорода в покрытии. Эффективное водяное охлаждение позволяет работать в течение длительного периода. В отличие от некоторых НУОБ температура охлаждающей воды не является критическим фактором качества покрытия.
№-5000 — это экономичное устройство, которое работает на керосине или эквивалентном топливе.
При использовании данной системы можно выделить такие способы экономии денег: затраты на топливо ниже, так как керосин, как правило, доступнее и по ценам ниже пропилена или водорода. Скорость распыления 1Р-5000 может быть увеличена до 9,1 кг в час, таким образом, вы нанесете больше покрытия за меньшее время . Важно отметить, что на качество покрытия не влияет более высокие темпы распыления . Типичная эффективность осаждения в размере 0,025 мм за один проход более чем в два раза выше, чем у других систем НУОБ . Это обеспечивает проработку большего количества деталей, при меньших трудозатратах [7].
Типичные материалы, применяемые при напылении — порошки карбидов, МеСгЛ1У, сплавы никеля и железа [8].
2. Формулирование проблемы
Актуальной задачей является получения металлических покрытий МеСгЛ1У с помощью высокоскоростного напыления, которые наносятся на проточные поверхности проста-вок ТК газотурбинных двигателей из сплава ЭП648-ВИ для обеспечения их жаростойкости и достаточной прирабатываемости. Одним из важных преимуществ технологии является формирование в получаемых покрытиях напряжений растяжения, что позволяет получать более толстые покрытия, чем при других технологиях напыления.
3. Материалы исследования и его результаты
На нашем предприятии отработана технология нанесения покрытия системы СоМСгЛ1У на проставки ТК. Химический состав порошка: N1 32.0%, Сг 21.0%, Л1 8.0%, У 1.0%, Со основа.
Это покрытие обеспечивает защиту деталей от окисления при работе до 1040 °С. Одними из главных характеристик, обеспечивающих работоспособность данного покрытия, являются регламентированная твердость и высокая адгезия с подложкой, что обусловлено способом его нанесения.
При металлографическом исследовании микроструктуры покрытия Со№СгЛ1У установлено, что непосредственно после нанесения в покрытии наблюдаются четкие границы расплавленного исходного порошка (гранул), имеются мелкие поры, которые расположены по границам гранул покрытия.
Необходимым условием для получения оптимальной структуры и свойств является проведение отжига покрытия [9]. Были опробованы несколько режимов отжига (на воздухе) и выбран оптимальный, обеспечивающий необходимые свойства покрытия Со№СгЛ1У: Т = 900 °С в течение 6 часов. В микроструктуре покрытия после отжига происходит выделение глобулярных структурных составляющих, равномерно расположенных по всей толщине покрытия. Границы между гранулами расплавленного исходного порошка размытые. При этом в результате взаимной диффузии элементов на границе раздела «металл — покрытие» формируется промежуточный слой -диффузионная зона, обеспечивающая прочное сцепление покрытия с основой.
Микроструктура покрытия до и после отжига представлена на рисунках 2, 3.
I
' < И
Рис . 2. Микроструктура покрытия СоМСгЛГУ до отжига: а — поры в микроструктуре покрытия Со№СгЛ1У без травления; б — после травления в растворе щавелевой кислоты
I-200^Ш1-1х1оо
а)
Рис. 3. Микроструктура покрытия Со№СгА1У после отжига:а — без травления; б — после травления в растворе щавелевой кислоты
термической обработки наблюдается снижение твердости до 370НУ.
Согласно ДСТУ 2639-94 были проведены испытания для определения прочности сцепления покрытия с основой. Среднее значение адгезионной прочности покрытия при комнатной температуре, полученного методом высокоскоростного напыления, выше 8,7 кгс/мм2, что подтверждено испытаниями клеевых образцов, при чем разрушение на всех образцах произошло по клею.
Следует отметить, что микроструктура покрытия по всей его толщине однородная и представляет собой твердый раствор, упрочненный глобулярными выделениями. Микроструктура покрытия приведена на рисунке 4.
х500
Рис. 4. Микроструктура покрытия Со№СгА1У после отжига
По результатам микрорентгеноспектраль-ного анализа (РСМА) матрица представляет собой твердый раствор на кобальтовой основе . Упрочняющей фазой является интерметаллид типа №А1 (-фаза) . Результаты РСМА, проведенного на электронном микроскопе с энергодисперсионным анализатором, приведены на рисунке 5.
На рисунке 6 приведена толщина и микроструктура диффузионной зоны полученного покрытия, образовавшейся при его отжиге.
Твердость покрытия в исходном состоянии после нанесения составляет 490НУ. После
Покрытие Массовая доля содержания элементов, %
№ точки А1 Сг Со N1 У
29 3,37 25,69 43,37 27,57
30 12,91 10,52 27,05 49,52
31 1,99 28,72 44,63 24,65
32 13,17 8,66 25,31 51,62 1,24
Рис. 5. Приблизительный химический состав структурных составляющих покрытия Со№СгА1У
- ■
100
Рис. 6. Толщина и микроструктура диффузионной зоны
покрытия Со№СгА1У: 1 — покрытие Со№СгА1У 2 — диффузионная зона; 3 — основной материал образца
Также в условиях нашего предприятия были проведены испытания образцов на стойкость при термоцикличеких нагружениях. Параметры одного цикла: Тг = 1100 °С, работа 2 мин и переход на Тг = 700 °С, 2 мин. Время перехода с режима на режим — 5 секунд. В зоне действия горячего потока газов образовались
цвета побежалости . Все образцы выдержали заданное количество циклов без разрушения: сколов и отслоений покрытия не обнаружено . Внешний вид образцов после испытания приведен на рисунке 7.
Рис. 7. Внешний вид поверхности с покрытием CoNiCrAlY после термоциклирования
В настоящее время детали с покрытием СоМСгАУ проходят сдаточные испытания на двигателе.
4. Выводы
В процессе проведенной работы отработана технология нанесения покрытия системы Со№СгА1У методом высокоскоростного го-зопламенного напыления НУОБ на простав-ки ТК газотурбинных двигателей из сплава ЭП648-ВИ для обеспечения их жаростойкости и достаточной прирабатываемости. Проведены испытания на адгезионную прочность и стойкость при термоцикличеких нагружениях, подтверждающие высокий уровень свойств полученного покрытия.
Литература
1. Харламов Ю. А. Газотермическое напыление покрытий и экологичность производства,
эксплуатации и ремонта машин. // Тяжелое машиностроение. - 2000. - №2. - С. 10—13.
2. Коробов Ю. С. Повышение срока службы деталей сверхзвуковым газопламенным напылением. // Тяжелое машиностроение. — 2006. - №7. С. 34-36.
3. Handbook of Thermal Spray Technology // Ed. by J. R. Davis, ASM International 2004.
4. Thermal Spraying Technology and Its Applications in the Iron & Steel Industry in China / R. L. Hao // Global Coating Solutions: proc. of ITSC 2007. (Ed.) B.R. Marple, May 14-16, 2007 (Beijing, China), ASM International 2007, p. 291-296.
5. Impigement Resistance of HVAF WC-based Coatings / C. Deng et al. Journal of thermal spraying. 5-6 (2007) Vol. 16, - p. 604-609.
6. HVOF-solutions: Информационный бюллетень. // Sulzer Metco - 2008.
7. JP-5000, the HVOF of the 21st century / M. J. Breitsameter, M. Prosperini // 4th HVOF Colloquium at Erding/Munchen — Bavaria — Nov 13-14. 1997. — P. 119-125.
8. Praxair surface technologies -TAFA: HP/ HVOF equipment solutions. 2009.
9. Verstak A., Baranovski V. Activated Combustion HVAF Coatings for Protection against Wear and High Temperature Corrosion. // Thermal Spray 2003: Advancing the Science and Applying the Technology. Proc. of the ITSC-2003. — 2003. -Vol. 1.
Поступила в редакцию 01.06.2014
A.A. Кравець, O.I. Горд1енко, О.О.Корогод, В.Г.Прочан. Отримання жаростшкого покриття, що стшке до стирання, на проставках ТК (турбши компресору) методом HVOF
У данш cmammi розглянено отримання жаростшкого покриття CoNiCrAlY, стшкого до стирання, методом високошвидкюного газопламеневого напилення HVOF на проточнш поверхт проставки турбти компресора (ТК) газотурбтного двигуна. Розглянет переваги даного методу нанесення покриmmiв в зрiвняннi з тшими методами гaзоmермiчного напилення. До^джет особливосmi мжроструктури отриманого покриття та та^ основы характеристики, як твердстъ та жаростшкстъ, що забезпечують його працездаттсть до 1040 °С. Проведет випробування, ят тдтверджуютъ високий рiвенъ властивостей отриманого покриття.
Ключов1 слова: жаростшке покриття, високошвидкюне газополуменеве напилення, твердютъ, мшроструктура, термоциклювання, проставка.
A.A.Kravets, O.A.Korogod, E.I.Gordienko, V.G.Prochan. Reception of the abradable extra heat resisting covering on turbine comressor spacers by HVOF (HIGH VELOCITY OXIGEN FUEL) method
There is considered the process of deposite the abradable coating CoNiCrAlY, at the working surface of engines frames by high velocity oxigem fuel method (HVOF) and the advantages of this method. The basic characteristics of this coating, such as hardness and temperature-resistant, has been learned. Due to this characteristics the coating gets a capability to work under 1040 ° С. The tests of coating have been completed. They have shown high quality of the abradable extra-heet resisting coating CoNiCrAlY.
Key words: temperature-resistant cover-, high-speed gas-flame dusting hardness, microstructure, thermocycling, specer.
