CC BY
60
УДК 629.7.023.224
Д.А. Александров1, С.А. Мубояджян1, Д.С. Горлов1
ПОВЫШЕНИЕ СВОЙСТВ УПРОЧНЯЮЩИХ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИ ПОМОЩИ АССИСТИРОВАННОГО ОСАЖДЕНИЯ
Представлены результаты исследований по влиянию ассистированного осаждения на свойства упрочняющих ионно-плазменных покрытий, такие как фазовый состав, остаточные напряжения, эрозионная стойкость. Приведены результаты металлофизиче-ских исследований и испытаний на эрозионную стойкость монослойных и многослойных покрытий.
Ключевые слова: ионная имплантация, ассистированное осаждение, эрозионностой-кое покрытие, ионно-плазменные покрытия.
The paper presents some results on the effect of assisted deposition (PA-PVD) on reinforcing properties of ion-plasma coatings, such as phase composition, lattice parameter, erosion resistance. The results metallophysical research, testing on erosion resistance of monolayer and multilayercoatings.
Keywords: ion implantation, PA-PVD, erosion-resistant coating, ion-plasma coatings.
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
Развитие авиационной техники, ее применение в условиях морского базирования и эксплуатации на грунтовых аэродромах обозначило необходимость коррозионной и эрозионной защиты стальных и титановых лопаток компрессора ГТД [1]. Для решения этой проблемы в ВИАМ начаты работы по созданию ионно-плазменных эрозионно- и коррозионностойких покрытий, так как эксплуатация ответственных деталей ГТД без специальных покрытий ограничивала ресурс их работы, требовала замены лопаток при ремонте двигателей [2, 3]. Проблемы низких эрозионной и коррозионной стойкости лопаток компрессора ГТД из сталей и титановых сплавов выявили необходимость разработки принципиально новых защитных и упрочняющих покрытий и технологий их получения, обеспечивающих надежную работу лопаток в различных условиях их эксплуатации и не оказывающих заметного влияния на их прочностные характеристики.
В ВИАМ разработаны коррозионностойкое ионно-плазменное покрытие СДП-1+ВСДП-20, предназначенное для защиты стальных лопаток и других деталей компрессора от солевой коррозии при температуре до 600°С, а также упрочняющие покрытия на основе карбида хрома (Cr3C2) и нитрида циркония (ZrN), обеспечивающие работу соответственно стальных и титановых лопаток компрессора при пылевой эрозии в общеклиматических условиях эксплуатации [4].
В связи с созданием ГТД пятого поколения для обеспечения ресурса лопаток и других деталей компрессора актуальными являются повышение свойств упрочняющих эрозионностойких покрытий, а также создание нового класса эрозионно-коррозионностойких покрытий, многократно повышающих эрозионную стойкость защищаемой основы, работоспособных во всеклиматических условиях.
Большое внимание для повышения свойств защищаемой основы следует уделить подготовке поверхности подложки перед нанесением покрытий [5, 6]. Одним из про-
цессов, повышающих коррозионную стойкость защищаемого материала, является ионное модифицирование поверхности [7], которое является новым направлением в ваку-умно-плазменной технологии высоких энергий (ВПТВЭ), разработанной в ВИАМ. Сущность процесса ионного модифицирования заключается в насыщении поверхностного слоя бомбардируемой подложки (на глубину до 30-40 мкм) ионами металлов (например, алюминием или титаном) или сплавов, создавая тем самым на поверхности модифицированный слой, насыщенный легирующими элементами, которой позволяет повысить коррозионную стойкость обрабатываемой основы [8]. Модифицированию можно подвергать как саму подложку, так и верхние слои конденсированного покрытия с целью увеличения плотности приповерхностных слоев.
Другим методом, в настоящее время активно исследуемым в ВИАМ и позволяющим улучшить свойства как существующих, так и вновь создаваемых ионно-плазменных покрытий нового класса (2В-нанослойные, ЗБ-наноструктурные), является технология ионно-плазменного ассистированного осаждения. Данная технология реализована на ионно-плазменной установке МАП-3, разработанной в ВИАМ (рис. 1).
Рис. 1. Внешний вид ионно-плазменной установки МАП-3
Отличительной особенностью данной установки является наличие ионного ускорителя, позволяющего проводить бомбардировку поверхности растущего конденсата напыляемого покрытия ионами инертных и реактивных газов (например, аргона, азота, кислорода) с энергией ионов до 40 кэВ, обеспечивая тем самым периодическое ассистированное осаждение покрытия.
Известен способ ионной имплантации, позволяющий подобным ускорителем ионов изменять поверхностные слои конструкционных сталей или титановых сплавов, обеспечивая их сопротивление усталостному разрушению [9]. Периодическое ассистированное осаждение ионно-плазменных покрытий позволяет изменять структурно-фазовое состояние растущего конденсата покрытия, улучшая его свойства [10]. В данной работе приведены результаты по влиянию ассистированного осаждения на свойства серийных и новых комбинированных и нанослойных покрытий.
Материалы и методы
На ионно-плазменной установке МАП-3 на образцы 020 мм, толщиной 2,5 мм из титановых сплавов ОТ4 и ВТ 1-0 и стали ЭП866 нанесены следующие покрытия: серийное ZrN, нанослойные TiC/CrC, TiN/CrN на основе чередующихся слоев из нитридов (карбидов) титана и хрома. Нанесение нанослойных покрытий проводилось при последовательном вакуумно-дуговом испарении составного катода из титана и хрома в атмосфере ацетилена и/или азота. В процессе нанесения покрытия контролировались такие
параметры, как ток дуги (I, А), напряжение смещения на подложке (и, В), давление реакционного газа. Значения электрических параметров процесса напыления подбирались таким образом, чтобы не допустить перегрева подложки. Температура подложки контролировалась косвенно, при помощи термопары, находящейся при том же потенциале смещения, что и подложка. Покрытия наносились как с ассистированным осаждением ионами аргона, так и без осаждения. После нанесения покрытия на образцах-свидетелях проводили металлографические исследования, а также измеряли микротвердость покрытий. Металлографические исследования покрытий проводились на растровом электронном микроскопе 1БМ-6490ЬУ с энергодисперсионным анализатором ШСА-450 при увеличениях *2000-50000, а также на оптическом микроскопе фирмы ОНшрш с цифровой системой обработки изображения при увеличениях до *1000. Микротвердость (Нц) покрытия исследовали на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 50 г.
Проведены испытания образцов с покрытиями на эрозионную стойкость для оценки защитных свойств разрабатываемых покрытий.
Оценка эрозионной стойкости ионно-плазменных покрытий осуществляется методом сравнительных испытаний на лабораторном стенде согласно ММ1.595-2-352-2008, разработанной в ВИАМ. Испытания проводили при лобовом (70 град) и касательном (20 град) угле атаки потоком абразивных частиц. В качестве эрозионной среды использовали речной кварцевый песок со средним (-300-350 мкм) и максимальным (700 мкм) размером частиц. Расчет эрозионного уноса проводили гравиметрическим методом путем взвешивания исходного образца и образца с покрытием после каждого цикла испытаний (эрозионная стойкость образца без покрытия принималась за единицу). Внешний вид стенда для проведения испытаний на относительную эрозионную стойкость показан на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид стенда для испытаний на эрозионную стойкость: 1 - регулировочный винт; 2 - засыпаемый образив, 3 - безрасходное сопло; 4 - образец; 5 - выходной бункер; 6 - держатель образца; 7 - камера установки; 8 - засыпной бункер
Исследованы напряженное состояние покрытий, а также их фазовый состав. Ме-таллофизические исследования (рентгенофазовый анализ (РФА) и определение остаточных напряжений (ОН) в покрытиях) проводили на дифрактометре Б/МАХ-2500 фирмы Ш§аки с монохроматическим Си Ка-излучением.
Результаты
Результаты испытаний на эрозионную стойкость образцов из титанового сплава ОТ4 с покрытием на основе нитрида циркония, нанесенного путем ассистированного осаждения ионами аргона, и без покрытия приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты испытаний на эрозионную стойкость покрытия на основе нитрида циркония, нанесенного на образцы из сплава ОТ4_
Предварительная Покрытие Толщина Эрозионный(-ая) износ/ стойкость, отн. ед.
обработка поверхности образца покрытия, мкм при угле атаки, град.
70 20
В исходном состоянии - 1 1
Пескоструйная ZrN 19 0,033/30 0,06/16,6
обработка ZrN (АО)' 19 0,029/34 0,04/25
АО - ассистированное осаждение ионами аргона.
Результаты испытаний на эрозионную стойкость образцов из титанового сплава ОТ4 с покрытием на основе нитрида циркония показывают, что ассистированное осаждение ионами аргона увеличивают эрозионную стойкость системы «подложка-покрытие» на 12-40%.
Проведены испытания на эрозионную стойкость нанослойных покрытий TiC/CrC и ^^С^, нанесенных на образцы из стали ЭП866 и титанового сплава ВТ 1-0 с ассистированным осаждением ионами аргона и без осаждения. Подробнее результаты исследования нанослойных покрытий изложены в работах [11, 12]. Испытания проводились при одинаковой толщине получаемых нанослоев. Результаты проведенных испытаний приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты испытаний на эрозионную стойкость нанослойных покрытий, нанесенных _на образцы из титанового сплава ВТ1-0 и стали ЭП866_
Предварительная обработка поверхности Покрытие Толщина, нм/мкм Эрозионный износ, отн. ед., и состояние образца с покрытием, нанесенным на материал основы Микротвердость покрытия**, МПа
сплав ВТ 1-0 сталь ЭП866
при угле атаки, град
70 20 70 20
Пескоструйная обработка ТЮ/СгС 70/18 1,24 повреждение покрытия после 2-го цикла 0,5 выдержал 3 цикла 1,66 повреждение покрытия после 2-го цикла 0,47 выдержал 3 цикла 27110/23690
ТЮ/СгС (АО)* 70/18 0,16 0,125 0,39 мелкии скол покрытия после 3-го цикла 0,2 прошел 3 цикла
выдержал 3 цикла
Пескоструйная обработка + виброгалтовка ТЮ/СгС (АО)* 70/18 0,1 0,075 0,085 0,13 -
выдержал 3 цикла
ТШС^ (АО)* 70/16 0,042 0,025 0,15 0,17 -
выдержал 3 цикла
*АО - ассистированное осаждение ионами аргона. ** Микротвердость покрытия, нанесенного на титановый сплав ВТ1-0, - в числителе; на сталь ЭП866 - в знаменателе.
Результаты испытаний на эрозионную стойкость покрытий TiC/CrC и TiN/CrN показывают, что ассистированное осаждение повышает эрозионную стойкость нано-слойного покрытия TiC/CrC в 7-12 раз. Установлено также положительное влияние на
эрозионную стойкость предварительной обработки поверхности виброгалтовкой перед нанесением покрытия. Микроструктура нанослойных покрытий ТЮ/СгС и ТГК/СгК приведена на рис. 3.
0,5 мкм 0,5 мкм
Рис. 3. Микроструктура нанослойных покрытий ТЮ/СгС (а) и ТЫ/СгЫ (б)
Проведены исследования фазового состава нанослойнных покрытий Т1С/СгС и Т1К/СгК и определен уровень остаточных напряжений в них. Результаты металлофизи-ческих исследований приведены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты исследований фазового состава покрытий на образцах из титанового сплава ВТ1-0
Предварительная обработка поверхности1' Покрытие Результаты фазового анализа Фаза Остаточн^1е напряжения сжатия а, МПа
Пескоструйная обработка ПС/СгС ПС (ГЦК), две модификации Сг3С2 (орто-фазы) ПС &3С2 1560±560 о**
ПС/СгС (АО)" ПС (ГЦК), Сг7С3 (орто-фазы), возможны следы Сг3С2 Т1С С7С3 969±48 о**
Пескоструйная обработка + (6 ч) ПС/СгС (АО)" ПС (ГЦК), Сг7С3 (орто-фазы), возможны следы Сг3С2 Т1С &7С3 1204±127 о**
Виброгалтовка ТМСгК (АО)" ТЫ (ГЦК), СгЫ (ГЦК), следы Сг2К (гексагональная), следы П2Ы (тетрагональная) TiN СгЫ 916±41 774±207
*АО - ассистированное осаждение ионами аргона. "Погрешность при определении напряжений сопоставима с определяемой величиной.
Результаты исследований фазового состава покрытия Т1С/СгС показывают, что ассистированное осаждение ионами аргона изменяет фазовый состав (в фазе СгС -Сг3С2. меняется на Сг7С3) и снижает уровень остаточных напряжений. Более подробно металлофизические исследования нанослойных покрытий изложены в работах [13, 14]. В работах [15, 16] проведены исследования на эрозионную и коррозионную стойкость различных эрозионностойких и коррозионностойких комбинированных нанослойных покрытий, полученных с помощью ассистированного осаждения. Влияние ассистиро-ванного осаждения различными газами (помимо аргона) на жаростойкость и коррозионную стойкость ионно-плазменных покрытий [ 17] требует дальнейшего всестороннего исследования.
Обсуждение и заключения
Проведены исследования влияния ассистированного осаждения на ионно-плазменные покрытия 2гЫ, Т1С/СгС, ^Ы/СгМ Установлено, что ассистированное оса-
ждение ионами аргона увеличивает эрозионную стойкость ионно-плазменных моно-слойных, и в большей мере нанослойных покрытий. Установлено также влияние асси-стированного осаждения на фазовый состав и уровень остаточных напряжений в нанослойных покрытиях. Вопрос влияния ассистированного осаждения на коррозионную стойкость, жаростойкость ионно-плазменных покрытий требует дальнейшего изучения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H., Оспенникова О.Г., Базылева O.A. Материалы для высокотеплонагруженных деталей газотурбинных двигателей //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP4. С. 1З-19.
2. Каблов E.H. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 20З0 года» //Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (З4). С. З-33.
3. Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Гаямов A.M., Смирнов A.A. Получение керамических теплозащитных покрытий для рабочих лопаток турбин авиационных ГТД магнетронным методом //Авиационные материалы и технологии. 2012. №4. C. З-S.
4. Мубояджян С.А., Помелов Я.А. Защитные покрытия для лопаток компрессора ГТД /В сб.: Авиационные материалы и технологии. Вып. «Высокожаропрочные материалы для современных и перспективных газотурбинных двигателей и прогрессивные технологии их производства». М.: ВИАМ. 200З. С. 11б-131.
5. Кашапов О.С., Павлова Т.В., Ночовная H.A. Влияние режимов термической обработки на структуру и свойства жаропрочного титанового сплава для лопаток КВД //Авиационные материалы и технологии. 20lO. №2. С. 8-14.
6. Сибилева C.B., Каримова С.А. Обработка поверхности титановых сплавов с целью обеспечения адгезионных свойств //Авиационные материалы и технологии. 201З. №S2. С. 25-35.
7. 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.
8. Мубояджян С.А., Луценко А.Н., Александров ДА., Горлов Д.С. Исследование возможности повышения служебных характеристик лопаток компрессора ГТД методом ионного модифицирования поверхности /В сб. Авиационные материалы и технологии. М.: ВИАМ. 200б. №1. С.42-53.
9. Ajeet Rohatgia, Meiera D.L., McPherson B., Ajay D. Upadhyaya, Francesco Zimbardi, Young-Woo
Ok, Ajay D. Upadhyaya, Jiun-Hong Lai. High-Throughput Ion-Implantation for Low-Cost High-Efficiency Silicon Solar Cells //Energy Procedia. 2012. V. 15. P. 10-19.
10. Cassara G., Banfielda S., Avelar-Batista Wilson J.C., Housden J., Matthews A., Leyland A. Tribo-logical properties of duplex plasma oxidised, nitrided and PVD coated Ti-6Al-4V //Surface and Coatings Technology. 2011. V. 20б. №2-3. P. 395-404.
11. Мубояджян C.A., Александров Д.А., Горлов Д.С. Ионно-плазменные нанослойные эрозион-но-стойкие покрытия на основе карбидов и нитридов металлов //Металлы. 2010. №5. С. З9-51.
12. Мубояджян С.А., Александров ДА., Горлов Д.С. Нанослойные упрочняющие покрытия для защиты стальных и титановых лопаток компрессора ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2011. №З. С. З-7.
13. Мубояджян С.А., Луценко А.Н., Александров ДА., Горлов Д.С., Журавлева ПЛ. Исследование свойств нанослойных эрозионностойких покрытий на основе карбидов и нитридов металлов //Металлы. 2011. №4. С. 91-101.
14. Александров Д.А., Мубояджян С.А., Горлов Д.С., Коннова В.И. Повышение эрозионной и коррозионной стойкости стальных лопаток компрессора ГТД с помощью нанослойного покрытия //Проблемы черной металлургии и материаловедения. 201З. №4. С. 1-7.
15. Мубояджян С.А., Александров ДА., Горлов Д.С., Егорова Л.П., Булавинцева Е.Е. Защитные и упрочняющие ионно-плазменные покрытия для лопаток и других ответственных деталей компрессора ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 71-81.
16. Белоус В.Я., Варламова В.Е., Мубояджян С.А., Александров Д.А. Ионно-плазменные покрытия для защиты от коррозии компрессорных лопаток и других деталей ГТД, эксплуатирующихся во всеклиматических условиях //Коррозия: материалы, защита. 2012. №1. С. 20-24.
17. Swadzba L., Formanek B., Gabriel H.M., Liberski P., Podolski P. Erosion and corrosion-resistant coatings for aircraft compressor blades //Surface and Coatings Technology. 1993. V. б2. №1-3. P.4S6-492.
