Способ повышения долговечности теплозащитных покрытий

УДК 621.438-226.739.6

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

В.О. ДРЕВНЯК, Г.Т. ПАЩЕНКО, А.И. ТАРАСОВ

Статья представлена доктором технических наук Самойленко В.М.

В статье рассматривается способ нанесения металлического смачивающего слоя на керамическом покрытии для лопаток турбины ГТД с целью увеличения их долговечности.

Ключевые слова: керамическое покрытие, лопатка, турбина, долговечность, смачиваемый слой, ресурс.

Тенденция к постоянному увеличению температуры работы газовых турбин и необходимость использования топлива с повышенным удержанием таких примесей, как сера, соли щелочных металлов и ванадий, наряду с другими, менее важными обстоятельствами обуславливают требование повышения стабильности поверхности жаропрочных сплавов, применяемых в газовых турбинах. В этой связи наибольшее внимание уделяется разработке новых материалов для покрытий или систем покрытий.

Использование теплозащитных покрытий (ТЗП) для охлаждаемых лопаток является актуальным направлением совершенствования газовых турбин. В отличие от широко применяемых жаростойких покрытий, ТЗП защищают не только поверхность лопаток от высокотемпературной коррозии, но и материал лопатки от разупрочнения в результате воздействия высоких температур [1-4]. Использование ТЗП позволяет понизить температуру лопаток и увеличить их долговечность. На стационарных и переходных режимах ТЗП выравнивает температуру поверхности лопатки и понижает термические напряжения в ней. Важнейшим направлением дальнейшего развития долговечности защитных покрытий на лопатках турбин с эффективным охлаждением является нанесение керамического теплозащитного слоя на основе стабилизированного оксида циркония. Теплозащитный слой керамики обеспечивает снижение температуры на металле лопаток, сглаживание термоциклов и повышение сопротивляемости окислению.

Ведущие производители авиационных двигателей в настоящее время применяют ТЗП для повышения надежности и долговечности лопаток турбин. General Electric использует ТЗП на рабочих лопатках двигателей CFM-56-7 и многих других [1, 2, 4]. По оценкам исследователей фирмы эффект снижения температуры лопаток в результате применения ТЗП составляет до 90оС и зависит от теплового потока в турбине, толщины керамического слоя ТЗП, его теплофизических характеристик и конструкции лопаток. Использование ТЗП позволило исключить аксиальные и радиальные трещины лопаток, коробление выходных кромок.

Известно [1, 2, 4], что применяемая керамика для теплозащитных покрытий является кислородопроницаемой. В результате кислород поступает к металлическому подслою, где образуется оксидная пленка и расходуется алюминий на ее образование. Состав и структура оксидов зависит от количества поступившего к поверхности кислорода и состава подслоя [1 - 4]. В процессе эксплуатации рост оксидной пленки, расход алюминия и диффузионные процессы приводят к появлению на границе «керамика - металл» оксида никеля, что значительно снижает долговечность теплозащитного покрытия (ТЗП). В условиях свободного доступа кислорода к поверхности металлического слоя в местах выхода каналов в керамическом слое на оксидной пленке №О растет со значительно большей скоростью, чем Al2O3 и существование оксида алюминия в этих зонах в начальной фазе неустановившейся стадии окисления проблематично, в то же время дефицит ионов кислорода, поступающего по телу керамических "столбов", в

большей мере способствует образованию оксида А1203 на границе раздела "керамический столб - металлический слой".

В ходе дальнейшего окисления происходит взаимодействие оксидов N10 и А1203 с образованием шпинели N10 х А1203

N10 + А120з  №0х А120з.

В дальнейшем происходит взаимодействие N10 и А1203 с керамическим слоем. В результате взаимодействия и в процессе диссоциации N10 оксид никеля и шпинель исчезают, а N1, замещая 2г, располагается в узлах решетки 2г02 [1, 3, 4].

Отметим ряд особенностей роста пленки А1203 под керамикой. Наиболее интенсивный её рост наблюдается в первые 30-50 часов окисления. Затем рост пленки замедляется. В дальнейшем пленка растет незначительно, сохраняя толщину около 2,5 мкм [1, 4].

С увеличением температуры окисления оксидная пленка достигает толщины 2,5 мкм быстрее, что связано с интенсификацией диффузионных процессов в керамическом и металлическом слоях ТЗП в условиях испытания.

При температуре 1100°С слой компактной оксидной пленки из оксида алюминия толщиной около 2,5 мкм образуется за 18-20 часов окисления (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость изменения толщины А1203 в процессе изотермического окисления на воздухе сплава ЖС6У

Стабилизация толщины оксидной пленки связана не только с уменьшением потока вакансий, образующихся на границе раздела "металл-оксид" в результате переноса атомов алюминия из металлической решетки, который происходит в связи со снижением диффузионной подвижности алюминия в присутствии в металлическом слое ТЗП тугоплавких металлов, но и с напряжениями роста оксидной пленки. Сжимающие напряжения роста пленки на границе раздела "металлический слой - оксид" должны быть существенно больше под слоем ТЗП, чем при окислении свободной поверхности металлического слоя ТЗП, поскольку слой керамики находится в сжатом состоянии.

Процессы, происходящие на границе «оксидная пленка - керамика», определяют характер разрушения ТЗП. Рост пленки А1203 сопровождается образованием пор под ней. Причем в местах под теми участками пленки, доступ кислорода к которым относительно свободен (по каналам, существующим в керамическом слое), образуется больше пор, и адгезия пленки к металлическому слою хуже, чем под участками пленки, доступ ионов кислорода к которым ограничен (под "столбами" керамики) [4 - 6].

Для создания усовершенствованного ТЗП необходимо ограничить доступ кислорода к металлическому покрытию, замедлить диффузионные процессы и тем самым стабилизировать толщину оксидной пленки. Для исключения доступа кислорода к металлу необходимо «запаять» каналы керамики. С этой целью предлагается на поверхность керамического слоя наносить тонкую плёнку металлического покрытия.

В результате исследования возможных методов нанесения покрытия была отработана технология нанесения усовершенствованного ТЗП на рабочие лопатки газотурбинных двигателей. На первой стадии на лопатку из сплава ЖС32 наносится вакуумно-плазменным методом подслой с повышенным содержанием тугоплавких элементов системы №А1ТаЯеУ толщиной 40...60 мкм. Затем наносится керамический слой на установке УЭ-175 при температуре (820 - 900) 0С. По окончании процесса осаждения керамического покрытия в камере установки УЭ-175 производят осаждение на поверхность керамики металлического слоя толщиной 6.10 мкм, а после нанесения ТЗП проводится ТВО по серийной технологии.

Полученное ТЗП имеет развитую внутреннюю зону, в которой повышена концентрация тантала, вольфрама и хрома. Они обеспечивают торможение диффузионных процессов во внутренней зоне покрытия и тем самым обеспечивают стабильность покрытия.

После проведения ТВО проводили работу по снижению проницаемости керамики для кислорода нанесением на поверхность керамики тонкой плёнки металлического покрытия из сплава на основе железа, хрома и алюминия.

Создание защитного барьера на поверхности покрытия проводили непосредственно по окончании процесса осаждения керамического покрытия в камере установки УЭ-175. Его осаждение производили при Т = 900°С в течение 1 = 3 мин. на поверхность керамики слоем толщиной 8.10 мкм.

Микроструктура и распределение химических элементов в покрытии, полученные по разработанной технологии, представлены на рис. 2, 3. Разработанная технология не требует дополнительного оборудования, кроме имеющегося на авиационных предприятиях.

Барьерный металлический слой

Рис. 2. Микроструктура ТЗП с металлическим слоем

%

С

—♦—гг

Та

Ке

-И-ДІ

Сг

-•-М

-^У

Ре

90 120 150 180 мкм

Рис. 3. Распределение химических элементов в ТЗП после ТВО

В результате проведенного в работе исследования установлено, что обработка поверхности керамики металлическим слоем создает барьер для доступа кислорода к металлическому подслою, тем самым замедляет его окисление в процессе эксплуатации. Полученное ТЗП допускает изменение состава, структуры и свойств в широком диапазоне.

Интенсивное развитие технологий получения комбинированных ТЗП, а также технологий защиты внутренних полостей, каналов охлаждаемых лопаток газовых турбин, улучшение качества технологий через механизацию и автоматизацию технологических процессов, уменьшение доли ручного труда в ответственных операциях позволяет создать новый способ получения защитных покрытий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абраимов Н.В., Елисеев Ю.С. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. - М. : Ин-термет Инжиниринг, 2001.

2. Хокинг М., Васантасри В., Сидки П. Металлические и керамические покрытия. - М.: Мир, 2000.

3. Тамарин Ю.А., Качанов Е.Б. Свойства теплозащитных покрытий, наносимых электронно-лучевой технологией. - М: ЦИАМ, 2008.

4. Tamarin Y^. Protective Coatings for Turbine B Cades The Materials information Society. - Ohio. Materials Park, 2002.

5. Жук И.Н., Коломыцев П. Т., Семенов А.П. Исследование эффективности применения теплозащитных покрытий // Защитные покрытия: науч.-методич. материалы. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1994. - С. 106-112.

6. Жук И.Н., Коломыцев П.Т., Семенов А.П. Исследование долговечности теплозащитных покрытий при испытаниях газотурбинных двигателей // Защитные покрытия: науч.-методич. материалы. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1994. - С. 113-119.

WAY TO INCREASE LONGEVITY THERMAL BARRIER COATINGS

Drevnyak V.O., Pashchenko G.T., Tarasov A.M.

In the article the method of applying a metal wetting layer on a ceramic coating for turbine blades GTE to increase their durability.

Key words: ceramic coverage, shoulder-blade, turbine, longevity, wettable layer, resource.

Сведения об авторах

Древняк Виктория Олеговна, студентка МГТУ ГА, область научных интересов - технология производства и ремонт авиационной техники.

Пащенко Геннадий Трофимович, 1971 г.р., окончил ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (2003), старший инженер НТЦ им. А. Люлька, автор 15 научных работ, область научных интересов - технология производства и ремонт авиационной техники.

Тарасов Андрей Иванович, 1981 г.р., окончил МАИ (2004), преподаватель МАИ, автор 3 научных работ, область научных интересов - технология производства и ремонт авиационной техники.