CC BY
175
УДК 629.7.023.224:629.7.03-226.2
С.А. Будиновский1, А.А. Смирнов1, П.В. Матвеев1, Д.А. Чубарое1
РАЗРАБОТКА ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ РАБОЧИХ И СОПЛОВЫХ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ И ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ СПЛАВОВ
Представлено комплексное теплозащитное покрытие (ТЗП) для рабочих лопаток ТВД из жаропрочного никелевого монокристаллического сплава ВЖМ4, работающих при температурах до 1200°С, а также рассмотрено применение высокотемпературных жаростойких покрытий в качестве соединительных слоев (ЖСС) ТЗП для сопловых лопаток ТВД из интерметаллидных никелевых сплавов типа ВКНА, работающих при температурах до 1250°С. Приведены результаты высокотемпературных испытаний образцов из сплавов ВЖМ4 и ВКНА-25 с нанесенными ТЗП. Показано, что ТЗП состава [Ni-Cr-Al-Ta-Re-Y-Hf+Al-Ni-Y] + (Zr-Y-Gd)O обеспечивает защиту изделий из сплава ВЖМ4 при температуре 1150°С - до 500 ч, а ТЗП состава /M-Cr-Al-Hf+A-lNi-Hf] + + (Zr-Y-Gd)O обеспечивает защиту изделий из интерметаллидных сплавов типа ВКНА при температуре 1250°С - до 100 ч. Приведены результаты исследования теплопроводности керамического слоя (Zr-Y-Gd)O.
Ключевые слова: теплозащитные покрытия, жаростойкие покрытия, рабочие лопатки турбины, сопловые лопатки турбины, жаропрочные сплавы, интерметаллидные сплавы.
The complex thermal barrier coating (TBC) for rotor blades of jet prop engines made of nickel-base superalloy VZHM4 working at temperatures up to 1200°C is represented, and also application of high-temperature heat resistant coatings for intermetallic nickel-base alloys as a bond coatings for turbine nozzle blades working at temperatures up to 1250°C is considered. Results of high-temperature tests of VZhM4 and VKNA-25 alloys with applied TBC are represented. It is shown that [Ni-Cr-Al-Ta-Re-Y-Hf+Al-Ni-Y] + (Zr-Y-Gd)O TBC protects VZhM4 alloy at temperatures up to 1200°C and [Ni-Cr-Al-Hf+Al-Ni-Hf] + (Zr-Y-Gd)O HPC protects VKNA-25 alloy at temperatures up to 1250°C. Research of thermal conductivity of ceramic (Zr-Y-Gd)O material is made.
Keywords: thermal barrier coatings (TBC), heat-resistant coating, turbine rotor blades, turbine nozzle blades, Ni-based superalloys, Ni-based intermetallic alloys.
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 отечественной авиационной промышленности требует разработки и внедрения новых материалов - безуглеродистых жаропрочных и интерметаллидных никелевых сплавов для литья охлаждаемых рабочих и сопловых лопаток турбины. В связи с этим в ВИАМ с применением метода компьютерного моделирования разработаны жаропрочный никелевый монокристаллический сплав IV поколения ВЖМ4 для литья охлаждаемых лопаток ТВД с рабочей температурой до 1150°С и интерметаллидные сплавы типа ВКНА для сопловых лопаток с рабочей температурой до 1200°С [1-5]. Однако для обеспечения длительного ресурса работы деталей турбины в условиях интенсивных теплосмен необходима их защита специальными покрытиями, предотвращающими разрушение поверхности пера лопаток в продуктах горения авиационного топлива при высоких эксплуатационных температурах [6-9].
Материалы и методы
Исследование теплозащитного покрытия для рабочих лопаток турбины из жаропрочного никелевого сплава ВЖМ4 Для защиты рабочих лопаток ТВД от высокотемпературной газовой коррозии в перспективных самолетных, вертолетных и наземных ГТД применяются теплозащитные покрытия (ТЗП), обеспечивающие работоспособность и повышение энергоэффективности благодаря внешнему керамическому слою покрытия, который позволяет снизить температуру газа на поверхности охлаждаемой лопатки до 100°С. Схема конструкции ТЗП, разработанного в ВИАМ для охлаждаемых лопаток турбины перспективных ГТД, представлена на рис. 1.
Рис. 1. Конструкция комплексного теплозащитного покрытия
Теплозащитное покрытие состоит из внутреннего металлического жаростойкого слоя и внешнего керамического слоя. Жаростойкий слой является конденсационно-диффузионным покрытием, осаждаемым на ионно-плазменной установке МАП-2 в вакууме путем конденсации на подложку (лопатку) материала из плазменных потоков, генерируемых на катоде. Внутренний жаростойкий слой (ЖСС) наносят в три этапа: на первом этапе наносят слой покрытия на основе никелевого сплава системы №-Сг-А1-Та-Ке-У-Н£, на втором - слой покрытия на основе алюминиевого сплава системы А1-№-У, на третьем этапе - проводят вакуумный отжиг полученных слоев при температуре 1050°С в течение 3 ч для формирования Р-фазы (№А1) с повышенным содержанием А1 в поверхностном слое жаростойкого покрытия, обеспечивающим при легировании Ж высокую стойкость к окислению при высоких температурах. Гафний эф-
фективно повышает жаростойкость алюминидных покрытий в области температур до 1200°С.
Керамический слой, состоящий из оксидов редкоземельных металлов с низким коэффициентом теплопроводности, наносят после формирования жаростойкого слоя ТЗП в среде кислорода и аргона на установке УОКС-2 на базе магнетронных распылителей повышенной частоты из мишеней, изготовленных на основе циркониевого сплава. Материалом керамического слоя ТЗП является соединение на основе системы 2г-Оё-У [10-17].
Результаты
В таблице представлены результаты испытаний на изотермическую жаростойкость в закрытых керамических тиглях в спокойной атмосфере печи (на воздухе) при температурах 1150 и 1200°С на базе 500 и 100 ч соответственно.
Внешний вид и удельное изменение массы образцов из сплава ВЖМ4 _после испытаний на изотермическую жаростойкость_
Покрытие Условия испытаний Удельное изменение массы образцов, г/м2 Внешний вид образцов
Без покрытия 1150°С,500ч -2694 ф
1200°С, 100 ч -1418 ф
С покрытием* 1150°С, 500ч -49,4 ( )
1200°С, 100 ч -52,1 / О
*Покрытие системы [№-Сг-А1-Та-Яе-У-Ш+А1-№-У] (80-100 мкм) + (2г-ва-У)0 (до 100 мкм).
В результате испытаний на изотермическую жаростойкость образцов из сплава ВЖМ4 с ТЗП выявлено, что внешний керамический слой не имеет отслоений, сколов или вздутий. По результатам рентгенофазового анализа в образцах в исходном виде и после испытаний установлено, что основной фазой в покрытии является тетрагональный оксид на основе системы 2г-Оё-У, обеспечивающий стойкость к спеканию и длительную работоспособность керамического слоя при высоких температурах, с кратковременными забросами до 1200°С.
В результате исследований микроструктур образцов из сплава ВЖМ4 с ТЗП методом растровой электронной микроскопии установлено, что в исходном виде керамический слой имеет характерную столбчатую структуру (рис. 2, б).
Под керамическим слоем находится тонкий оксидный клеящий слой (TGO -thermally grown oxide) на основе оксида алюминия толщиной 3±1 мкм. На микроструктурах этот слой четко выделяется в виде тонкой прослойки между керамическим и жаростойким слоями (см. рис. 2, а, б). Внутренний ЖСС имеет характерное двухзонное строение, верхний слой которого состоит из Р-фазы (NiAl) и обеспечивает защиту основы сплава от окисления (см. рис. 2, а). Образец из сплава ВЖМ4 с покрытием состава [Ni-Cr-Al-Ta-Re-Y-Hf+Al-Ni-Y]+(Zr-Gd-Y)0 после испытаний имеет вторичную реакционную зону (ВРЗ) толщиной 300 мкм, в которой присутствуют иглы ТПУ фаз (см. рис. 2, в). Керамический слой ТЗП после испытаний имеет трещины в структуре покрытия, что вызвано накоплением напряжений в результате окисления поверхности жаростойкого покрытия, поскольку керамический слой из-за своей пористости пропускает кислород и продукты окисления накапливаются между жаростойким и керамическим слоями (см. рис. 2, в, г). Толщина данного оксидного слоя после испытаний на изотермическую жаростойкость составляет 14±3 мкм (см. рис. 2, г).
а) б)
100 мкм 10 мкм
Рис. 2. Микроструктуры образцов из сплава ВЖМ4 с теплозащитным покрытием состава (№-Сг-А-Та-Ке-У-Ш+А-№-У]+(2г-Ш-У)0:
а, б - в исходном состоянии; в, г - после испытаний при 1150°С в течение 500 ч
Разработка теплозащитного покрытия для сопловых лопаток турбины из интерметаллидных сплавов типа ВКНА
Особенность разработки ТЗП для интерметаллидных никелевых сплавов типа ВКНА заключается в повышенной рабочей температуре покрытия. Это связано с прогнозируемым применением данных сплавов при температурах свыше 1200°С в пер-
спективных ГТД. В ВИАМ разработаны жаростойкие покрытия, способные защищать интерметаллидные сплавы типа ВКНА от разрушения при температурах до 1300°С -это покрытия систем [№-Сг-А1-НГ+А1-№-У] и [№-Сг-А1-Та-Ке-У-Ш+А1-№-У], отличающиеся пониженным содержанием хрома [ 18-22]. Такие покрытия могут быть использованы в качестве ЖСС по двум причинам:
- способность защищать изделие из интерметаллидного сплава в случае скола керамического слоя ТЗП;
- сравнительно низкое (не более 11% (по массе)) содержание хрома, приводящее к снижению температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) ЖСС, что увеличивает термостойкость покрытия.
По данным, полученным из литературных источников, известно, что одними из наиболее широко применяющихся за рубежом подслоев являются платино-алюминидные покрытия, которые представляют собой Р-фазу (№А1) состава, близкого к стехиометрическому, легированную платиной. Известно также, что Р-фаза стехио-метрического состава имеет температурный коэффициент линейного расширения, наиболее близкий к ТКЛР керамических материалов среди алюминидов никеля.
Однако в случае покрытия состава [[№-Сг-А1-Та-Ке-У-Ш+А1-№-У] повышенные рабочие температуры могут привести к интенсивному обеднению алюминием Р-фазы внешнего слоя ЖСС, а также к диффузии тугоплавких элементов, содержащихся в никелевом конденсированном слое ЖСС, в приповерхностные слои покрытия. Появление тугоплавких элементов во внешнем слое ЖСС ведет к увеличению скорости роста и снижению прочностных характеристик оксидного слоя (ТОО), формирующегося на поверхности ЖСС в процессе высокотемпературной выдержки, что, в свою очередь, приводит к значительному снижению термостойкости ТЗП. Микроструктура и микроанализ образцов из сплавов типа ВКНА с ТЗП после высокотемпературных испытаний представлены на рис. 3, на котором видны характер разрушения слоя ТОО и результаты микрорентгеноспектрального анализа приповерхностного слоя ЖСС состава [№-Сг-А1-Та-Яе-У-НГ+А1-№-У].
Таким образом, в качестве базового ЖСС выбрано покрытие состава [№-Сг-А1-Ш+А1-№-У]. Однако испытания ТЗП с таким подслоем при температуре 1250°С показали достаточно низкую термостойкость - не более 50 циклов испытаний по режиму: выдержка при 1250°С в течение 45 мин с последующим охлаждением на воздухе в течение 15 мин. Для повышения термостойкости ТЗП проведена оптимизация ЖСС, которая заключалась в повышении:
- содержания алюминия во внешнем слое ЖСС;
- плотности слоя ТОО и его адгезии к ЖСС.
Для обогащения внешнего слоя ЖСС алюминием разработана технология двойного алитирования, позволяющая увеличить его содержание до 35%. Для оптимизации свойств защитной оксидной пленки проведено легирование ЖСС гафнием (экспериментальный состав слоя А1-№-Ш).
Оптимизация ТЗП позволила более чем в два раза повысить его термостойкость при температуре испытаний 1250°С, которая составила 100 циклов.
Результаты высокотемпературных циклических испытаний ТЗП с различными ЖСС приведены на рис. 4. Видно преимущество использования материала на никеле-
вой основе системы №-Сг-А1-Н£, не содержащего тугоплавких легирующих элементов, а также преимущество дополнительного легирования ЖСС гафнием.
Разрушение слоя ТвО
20 мкм
Средний химический состав области: Ц 48,6 N1-11,9 А1-5,4 Сг-2,7 Та-2,1 Ш
100 мкм
Рис. 3. Микроструктура (а - х700) и результаты рентгеносиектрального микроанализа (б) образцов из сплавов типа ВКНА с теплозащитным покрытием с жаростойким подслоем состава [№-Сг-А1-Та^е-У-Ш+А1-№-У] после 50 циклов испытаний при 1200°С
0
* -ЮН
о о й
2 -30Н
и К К
В -50Н
со
8 -70
К
5 -90
£
20
40
60
80 100
N ЦИКЛ
Рис. 4. Результаты циклических испытаний на жаростойкость образцов из сплава ВКНА-25 при температуре 1250^200°С с теплозащитным покрытием состава:
■ - [М-Сг-А1-У-Та-Яе-НГ+А1-М--У]+(2г-У-Ш)О;
• - [№-Сг-А1-НГ+А1-№-У]+(2г-У-Оа)О;
♦ - [М-Сг-А1-У-Та^е-НГ+А1-М--Ш]+(2г-У-Ш)О;
▲ - [Ni-Cr-A1-Hf+A1-Ni-Hf]+ (2г-У-Ш)О
Важнейшим свойством ТЗП, определяющим эффективность его применения на рабочих и сопловых лопатках турбин, является теплопроводность, определяющая уровень теплозащитного эффекта и долговечность керамического слоя, а также время, в течение которого покрытие будет выполнять свои теплозащитные функции. Для определения количественного значения данного параметра проведены измерения теплопро-
водности керамического слоя ТЗП в диапазоне температур от 20 до 1250°С: ХсР=1,1 Вт/(м^К) - для керамического слоя ТЗП на основе системы Zr-Gd-Y для охлаждаемых рабочих и сопловых лопаток ТВД.
Обсуждение и заключения
Для эффективной защиты охлаждаемых изделий турбины разработаны конден-сационно-диффузионные ионно-плазменные жаростойкие покрытия на основе систем [Ni-Cr-Al-Ta-Re-Y-Hf+Al-Ni-Y] - для изделий из сплава ВЖМ4 и [Ni-Cr-Al-Hf+ +Al-Ni-Hf] - для изделий из сплавов типа ВКНА, обладающие высокими защитными жаростойкими характеристиками в области рабочих температур: до 1200°С - для сплава ВЖМ4 и до 1250°С - для сплавов типа ВКНА, которые могут быть использованы в качестве ЖСС в системе ТЗП.
Проведены высокотемпературные испытания систем ТЗП с выбранными составами ЖСС и керамическим слоем системы Zr-Gd-Y.
По результатам испытаний видно, что ТЗП состава [Ni-Cr-Al-Ta-Re-Y-Hf+ +Al-Ni-Y]+(Zr-Y-Gd)O обеспечивает защиту изделий из сплава ВЖМ4 при температурах 1150 и 1200°С до 500 и 100 ч соответственно, а ТЗП состава [Ni-Cr-Al-Hf+ +Al-Ni-Hf]+(Zr-Y-Gd)O обеспечивает защиту изделий из интерметаллидных сплавов типа ВКНА при температуре 1250°С до 100 ч.
Керамический слой ТЗП на основе системы Zr-Gd-Y обладает низким коэффициентом теплопроводности и обеспечивает снижение рабочей температуры на поверхности рабочих и сопловых лопаток из современных никелевых жаропрочных и интерметаллидных сплавов.
Разработанные ТЗП могут быть рекомендованы к использованию для защиты охлаждаемых рабочих и сопловых лопаток ТВД современных самолетных, вертолетных и наземных ГТД.
ЛИТЕРАТУРА
1. Петрушин H.B., Оспенникова О.Г., Висик E.M. и др. Жаропрочные никелевые сплавы низкой плотности //Литейное производство. 2012. №6. С. 5-11.
2. Кузнецов В.П., Лесников В.П., Конакова И.П., Петрушин Н.В., Мубояджян С.А. Структура и фазовый состав монокристаллического сплава ВЖМ4 с газоциркуляционным защитным покрытием //МиТОМ. 2011. №3. С. 28-32.
3. Базылева O.A., Аргинбаева Э.Г., Туренко Е.Ю. Жаропрочные литейные интерметаллидные сплавы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 57-60.
4. 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.
5. Будиновский С.А. Применение аналитической модели определения упругих механических и термических напряжений в многослойной системе в решении задач по созданию жаростойких алюминидных покрытий //Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. №3. С. 3-11.
6. Будиновский С.А., Каблов E.H., Мубояджян С.А. Применение аналитической модели определения упругих напряжений в многослойной системе при решении задач по созданию высокотемпературных жаростойких покрытий для рабочих лопаток авиационных турбин //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 26-37.
7. Смирнов A.A., Будиновский С.А. Анализ эволюции нормальных напряжений в системе «сплав-покрытие» в области температур до 1200°С //Авиационные материалы и технологии. 2014. №2. С. 8-14.
8. Будиновский С.А., Матвеев П.В., Смирнов A.A. Исследование жаростойкости литейных жаропрочных никелевых сплавов в области температур 1000-1в00°С //Авиационная промышленность. 2014. №2. С. 48-52.
9. Будиновский С.А., Мубояджян С.А., Гаямов A.M., Степанова C.B. Ионно-плазменные жаростойкие покрытия с композиционным барьерным слоем для защиты от окисления сплава ЖС36-ВИ //МиТОМ. 2011. №1. С. 34-40.
10. 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. С. 3-8.
11. Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Гаямов A.M., Матвеев П.В. Высокотемпературные жаростойкие покрытия и жаростойкие слои для теплозащитных покрытий //Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 17-20.
12. Каблов E.H., Мубояджян С.А. Жаростойкие и теплозащитные покрытия для лопаток турбины высокого давления перспективных ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 60-70.
13. Чубаров Д.А., Матвеев П.В. Новые керамические материалы для теплозащитных покрытий рабочих лопаток ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2013. №4. С. 43-46.
14. Будиновский С.А., Мубояджян С.А., Гаямов A.M. Современное состояние и основные тенденции развития высокотемпературных теплозащитных покрытий для рабочих лопаток турбин авиационных ГТД //Авиационная промышленность. 2008. №4. С. 33-37.
15. Гаямов A.M., Будиновский С.А., Мубояджян С.А., Косьмин A.A. Выбор жаростойкого покрытия для жаропрочного никелевого рений-рутенийсодержащего сплава марки ВЖМ4 //Труды ВИАМ. 2014. №1. Ст. 01 (viam-works.ru).
16. Будиновский С.А., Мубояджян С.А., Гаямов A.M., Матвеев П.В. Разработка ионно-плазменных жаростойких металлических слоев теплозащитных покрытий для охлаждаемых рабочих лопаток турбин //МиТОМ. 2013. №11. С. 16-21.
17. Косьмин A.A., Будиновский С.А., Мубояджян С.А., Булавинцева Е.Е. Жаростойкое покрытие для нового перспективного интерметаллидного сплава ВИНЗ //Сварочное производство. 2013. №6. С. 35-37.
18. 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. С. 12-15.
19. Матвеев П.В., Будиновский С.А. Исследование свойств защитных жаростойких покрытий для интерметаллидных никелевых сплавов типа ВКНА для рабочих температур до 1300°С //Авиационные материалы и технологии. 2014. №3. С. 22-26.
20. Каблов E.H., Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Луценко А.Н. Ионно-плазменные защитные покрытия для лопаток газотурбинных двигателей //Металлы. 2007. №5. С. 23-34.
21. Muboyadzhyan S.A., Kablov E.N. Vacuum plasma technique of protective coatings production of complex alloys //Металловедение и термическая обработка металлов. 1995. №2. С. 15-18.
22. 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.
