CC BY
94
УДК 621.744.59
ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА РАБОТЫ ДЕТАЛЕЙ СУДОВЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Д.Б. Глушкова, доцент, к.т.н., ХНАДУ, Ю.Н. Дзюба, инженер, Черноморский машиностроительный завод
Аннотация. При создании газотурбинных двигателей III поколения, имеющих высокие температуры газа и металла, проблема защиты от высокотемпературной коррозии решена применением сплавов на основе никеля и железа с нанесением на них покрытий. В покрытии содержится значительное количество кремния и хрома, что позволило повысить коррозионную стойкость больше, чем в 2 раза и существенно увеличить ресурс работы деталей газотурбинных двигателей.
Ключевые слова: жаростойкость, коррозионная стойкость, алюминид никеля, судовые, газотурбинные.
Введение
В морских турбинах I и II поколений, где температура газа и металла достигала 700^800 °С, при изготовлении высокотемпературных узлов использовались авиационные сплавы, химический состав которых приведен в табл. 1.
Однако при более высоких температурах, когда приобретает большое значение жаропрочность и коррозионная стойкость, нельзя решить проблему улучшения эксплуатационных свойств только за счет хрома [1]. Тем более что, как видно на рис. 1, с увеличением хрома более 20% длительная прочность снижается.
Цель и постановка задачи
Обеспечить сопротивление высокотемпе-ра-турной коррозии необходимо путем нанесения защитных покрытий, содержащих помимо хрома, алюминий и кремний [2].
С созданием газотурбинных двигателей III поколения, где температура газа и на металле достигает соответственно до 1150 °С и 900 °С, проблема высокотемпературной коррозии может быть решена исключительно путем применения защитных покрытий, ко-
торые обеспечивают работоспособность высокотемпературных узлов турбин в морских условиях в течение 4000^20000 часов.
13 15 17 19 21 23 Сг, %
Рис.1. Характер зависимости жаропрочности и коррозионной стойкости сплавов типа «НИМОНИК» от содержания хрома (усредненные данные)
Материал и методика исследований
На ГП «Черноморский судостроительный завод» (г. Николаев) разработаны защитные покрытия типа лицензионных «Сермалой-Ж». Покрытия «Сермалой-Ж"» являются диффузионными покрытиями, наносимыми на сплавы никеля и железа, и могут быть использованы до 1200 °С.
Таблица 1 Материалы высокотемпературных узлов судовых ГТД I и II поколений
Сплав Назначение Химический состав, %
С Сг А1 Т1 Мо W Со №
ВХ4А Соплов. лопатки 0,1 32-35 0,5-1,4 0,5-1,1 2,3-3,3 4,3-5,3 - 0,5-1,1
ЭП99 //-// £ 0,1 21-24 2,5-3,5 1,0-1,5 3,5-5,0 6,0-8,0 5,0-8,0 -
ЭИ417 //-// 0,13 22,5 - 18,3 - - основа -
ЭИ617 Рабоч. лопатки 0,12 13-16 1,7-2,3 1,8-2,3 2,0-4,0 5,0-7,0 - -
ЭИ826 //-// £ 0,12 13-16 2,4-2,9 1,7-2,2 2,5-4,0 5,0-7,0 - -
ЭИ435 Жаров. трубы £ 0,12 19-22 0,15 0,150,35 - - - -
ЭИ602 //-// £ 0,08 19-22 0,35-0,75 0,37-0,75 1,8-2,3 - - 0,9-1,3
Технологический процесс нанесения покрытий на детали обеспечивает наличие на их поверхности алюминидов никеля (№А1), имеющих высокую жаростойкость и коррозийную стойкость до 1200 °С в присутствии солей морской воды и продуктов сгорания турбинного топлива.
Для исследований были изготовлены образцы из жаропрочных сплавов типа ЭП539ЛМ с покрытием «Сермалой-Ж», изготовленным из фирменных составляющих и отечественных материалов.
Химический состав по сечению покрытия определялся на рентгеновских микроанализаторах СотеЬах, МАР-2. Фазовый состав определялся как прямым рентгеноструктур-ным анализом, так и косвенно по результатам анализа химического состава на рентгеновских микроанализаторах.
Результаты исследований и их обсуждение
Распределение основных элементов в покрытиях «Сермалой-Ж», полученных с применением отечественных и фирменных материалов, представлено на рис. 2.
Полученные данные показывают наличие в поверхностных слоях №А1 с содержанием А1 до 32%, это свидетельствует о высоких защитных ресурсах покрытия. Объясняется это тем, что при содержании А1 в покрытии более 25% на его поверхности образуется защитная пленка в виде А1203. На рис. 3 приведен фазовый состав окалины в зависимости от содержания алюминия в никеле.
А1
20
А1
Сг Сг
образцы с покрытием на фирм. компаунде
образцы с покрытием на отеч. химикатах
О 8
т
т
20 40 60 80
Расстояние от поверхности образца, мкм
100
Рис. 2. Распределение основных элементов в покрытиях типа «Сермалой-Ж» (МАР-2)
N о т о+МА^ о4 тм2 о4+у - А12 о3
160
8 120
у А12 Оз
80
40
80 ;
60 § и
40
20
1
0
60
10 20 30 40 50 Содержание А1 в сплаве, %
Рис. 3. Фазовый состав окалины в зависимости от содержания алюминия в никеле: 1 - изменение веса; 2 - содержание никеля
4
0
2
Избыток А1 в покрытии надолго задерживает переход высших алюминидов никеля в низшие, и тем самым увеличивает продолжительность защитной способности покрытия. В покрытии содержится значительное количество кремния, а также хрома, перешедшего в покрытие, несмотря на низкий коэффициент диффузии. Оба эти элемента существенно повышают коррозийную стойкость, т.к. известно, что окислы хрома являются наилучшей защитой от солевой коррозии до температуры 900 - 950 °С [3].
То, что хром, имеющий низкий коэффициент диффузии, в значительных количествах оказался в покрытии, свидетельствует о высокоактивном процессе, при котором покрытие формируется путем диффузии алюминия в подложку.
Исследуемое покрытие благодаря наличию А1, Si и Сг является универсальным, так как при умеренных температурах Сг и Si обеспечивают эффективную защиту от солевой коррозии, а при высоких (свыше 950 °С) температурах наилучшее сопротивление окислению оказывает алюминий.
Рис. 4. Микроструктура покрытия «Серма-лой-Ж» после отжига при 950 °С -0,5 часа
Рис. 5. Микроструктура покрытия «Серма-лой-Ж» после отжига при 1100 °С -0,5 часа
На рис. 4 и рис. 5 приведена микроструктура образцов с покрытием «Сермалой-Ж», сня-
тая во время фазовых превращений при высоких температурах. Внешняя зона состоит из фазы №А1 (с большим содержанием А1), а диффузионная - из соединения №3 А1 и представляет собой равномерно сформировавшийся на поверхности основного сплава слой толщиной от 40 до 60 мкм.
Проведены испытания на стойкость против высокотемпературной коррозии при температурах 900 °С и 1100 °С в открытых электропечах сопротивления с периодическим (через каждые 10 часов) окунанием образцов в раствор, содержащий соли ШС1 (10%) и (90%). Оценка коррозийной стойкости производилась по изменению веса образцов и по сравнительному исследованию микроструктуры покрытий до и после испытаний.
Рис. 6. Микроструктура покрытий «Сермалой-Ж» после испытаний на коррозию при температуре 900 °С - 100°часов (фирменные материалы)
Рис. 7. Микроструктура покрытий «Сермалой-Ж» после испытаний на коррозию при температуре 900 °С - 100 часов (отечественные материалы)
Анализ полученных результатов показал, что исследуемые покрытия отличаются высоким сопротивлением коррозии при температурах 900 °С и 1100 °С. На рис. 6 и рис. 7 представлены соответственно микроструктура покрытий из фирменных и отечественных материалов после испытаний на коррозию при тем-
пературе 900 °С в течение 100 часов. Состояние покрытий практически одинаково. Характер изменения микроструктуры после испытаний хорошо согласуется с оценкой стойкости покрытия по изменению веса. Защитный слой покрытия на основном металле сохранился, хотя толщина его уменьшилась, и поверхность стала менее гладкой.
Для длительных испытаний на предприятии было изготовлено 88 рабочих лопаток турбины высокого давления с покрытиями. Испытания проводились в течение 695 часов. При испытаниях в двигатель вводилась соль из расчета 7 г на 1 кг воздуха. Результаты оценивались по изменению веса лопаток, внешнему виду и микроструктуре.
Рис. 8. Коррозийная стойкость образцов с покрытиями типа «Сермалой-Ж» в солях при Т = 1100 °С
Как видно из рис. 8, защитное покрытие «Сермалой-Ж» на рабочих лопатках после 695 часов испытаний полностью сохранилось и защитные функции его полностью не исчерпаны.
Выводы
Защитные покрытия «Сермалой-Ж» являются диффузионными покрытиями, наносимыми на сплавы никеля и железа.
Совокупность свойств покрытий
«Сермалой-Ж» свидетельствует о целесообразности использования их для защиты наружных и слабонагруженных узлов, работающих при высоких до 1100 °С температурах.
Сравнение свойств фирменных и отечественных покрытий после испытаний на коррозию при температуре 900 °С в течение 100 часов показало идентичность их состояния, что позволяет сделать вывод о возможности применения не только покрытия «Сермалой-Ж» (фирменного), но и отечественного покрытия для повышения ресурса работы деталей газотурбинных двигателей.
Изучаемые покрытия существенно повышают коррозийную стойкость и ресурс работы деталей в диапазоне температур 900 °С-1100 °С.
Литература
1. Белтран А.М., Шорес Д.А. Высокотем-пе-
ратурная коррозия // Жаропрочные сплавы / Под ред. Ч. Синс, В.М. Хагель // Металлургия, 1996. - С. 293320.
2. Рыбников А.Н., Гецов Л.Б., Добина Н.И.
Увеличение ресурса лопаточного аппарата газовых турбин путем применения жаростойких покрытий // Труды ЦКТН. - Л. - №.191. - С. 76-81.
3. Rairden J.R. Hot-corrosion resistant duplex
coating for a superalloy // Thin Soliol Films. - 1998, 53. - №2. - Р. 251-258.
4. Материалы в машиностроении. Справоч-
ник в пяти томах. Специальные сплавы и стали / Под общ. ред. проф. В.В. Кудрявцева. - М.: Машиностроение, 1998, Т. 3.
Рецензент: А.И. Пятак, профессор, д.ф.-м.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 4 сентября 2088 г.
