Перспективы применения ионно-плазменных покрытий для титановых сплавов

С.А. Мубояджян, А.Н. Луценко, Д.С. Горлов

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Основными направлениями развития авиационного двигателестроения и промышленного турбиностроения являются снижение удельной массы двигателей, повышение их удельных характеристик, ресурса и надежности.

Преимущественной областью применения жаропрочных титановых сплавов является производство газотурбинных двигателей, где общая доля таких сплавов в конструкции составляет ~28-37% от суммарной массы двигателя.

Одним из перспективных способов защиты титановых лопаток компрессора от воздействия окружающей среды являются надежные покрытия, обеспечивающие на рабочей поверхности лопаток образование защитных слоев с сопротивлением агрессивному воздействию среды, в несколько раз превышающим сопротивление материала основы.

Анализ повреждений титановых лопаток компрессора ГТД после длительной эксплуатации показывает, что основными причинами возникновения дефектов являются:

- эрозионное воздействие пылевоздушного потока;

- поверхностное окисление.

Повышение рабочих температур при эксплуатации деталей ГТД является критичным фактором для титановых сплавов, так как механизм окисления титановых сплавов при температурах выше 620°С протекает по нелинейному закону и сопровождается насыщением поверхностных слоев кислородом на глубину -10-15 мкм, что приводит к охрупчиванию материала и досрочному снятию деталей с эксплуатации. Поэтому проблема обеспечения работоспособности при температурах выше 600°С и защита поверхности деталей из титановых сплавов является актуальной задачей.

Таким образом, существенный прорыв в области широкого применения титановых сплавов для деталей ГТД может быть связан с разработкой защитных и упрочняющих покрытий, которые позволят обеспечить ресурс и надежность ГТД в различных климатических условиях.

ВИАМ на протяжении многих лет проводит научно-исследовательские разработки по созданию ионно-плазменного оборудования и технологий нанесения ионно-плазменных покрытий на лопатки ГТД.

В данной работе представлены результаты исследований и разработок ионно-плазменных покрытий на титановых сплавах.

Ионное модифицирование поверхности

Технология ионно-плазменной обработки и модифицирования поверхности титановых сплавов обеспечивает получение на поверхности обрабатываемой детали насыщенного (диффузионного) слоя со структурно-фазовым состоянием, отличным от состояния материала основы. Разработки в этом направлении проводятся для решения задач повышения ресурса ответственных деталей авиационного двигателя, таких как лопатки компрессора и др.

В проведенных исследованиях процесса ионного модифицирования поверхности титановых сплавов были опробованы различные способы ионной обработки поверхности:

- модифицирование в плазменном потоке чистых металлов, бинарных и многокомпонентных сплавов;

- последовательное модифицирование в плазменных потоках различного состава;

- модифицирование поверхности с применением конденсированных слоев плазмо-образующего материала;

- модифицирование с предварительным нанесением конденсированного слоя («mixture» - перемешивание);

- модифицирование с предварительным и последующим нанесением конденсированного слоя.

В табл. 1 приведены результаты рентгеноструктурного анализа (РСА) (а+Р)- и псевдо-а-титановых сплавов после ионного модифицирования.

Таблица 1

Фазовый состав поверхностных слоев титановых сплавов после ионного

Модифицирования

Материал основы Вид бомбардирующих ионов Фазовый состав поверхностного слоя

ВТ8М-1 Без обработки а-Ti + p-Ti

№-Сг-А1^ (осаждение) а-Ti + y-Ni + Ni3Ti + Ti2Ni + Ni2Y

(№-Сг-А^+ а-Ti + P-Ti + TiNi(£2) + TiNi(£19)'+ y-Ni

№-А1^ (осаждение) а-Ti + y-Ni + Ni3Ti + Ti2Ni + Ni2Y

(№-А-У)+ а-Ti + P-Ti + TiNi(£2) + TiNi(£19)'+ y-Ni

2г+ а-Ti + а'-T^Zr) + P-Ti

ВТ9 Без обработки а-Ti + P-Ti

(№-Сг-А^+ а-Ti + P-Ti + TiNi(£2) + TiNi(£19)'+ y-Ni

ВТ18У Без обработки а-Ti + P-Ti

(№-Сг-А^+ а-Ti + P-Ti + TiNi(£2) + TiNi(£19)'+ y-Ni

ВТ25У Без обработки а-Ti + P-Ti

2г+ а-Ti + а'-T^Zr) + P-Ti

Полученные результаты микрорентгеноспектрального анализа показывают (табл. 2), что в процессе ионного модифицирования поверхности титановых сплавов происходит формирование модифицированных слоев с образованием диффузионной зоны на основе элементов материала основы и покрытия.

Таблица 2

Элементный состав модифицированных слоев

Материал Вид Соде ржание элементов, %

основы бомбардирующих ионов Cr/Sn Ni Mo W/Ta Ti Al Si/Y Nb Zr Co

BT8M-1 Ni-Al-Y (осаждение) 2,5/- 84,6 0,3 - 5,9 5,0 -/0,4 - 0,1 -

(Ni-Al-Y)+ -/0,2 55,7 0,3 -/0,5 39,1 2,4 - - 0,3 -

ВТ18У Без обработки - - 1,0 - 90,0 3,5 0,2/- 1,1 3,0 -

(Ni-Co-Cr-Al-Y)+ 21,1/- 50,6 - - 1,5 7,1 - - - 19,3

При ионной обработке в плазме сплавов бинарных или псевдобинарных (многокомпонентных) систем на основе никеля, алюминия, циркония происходит формирование внешнего слоя на основе материала покрытия, диффузионной зоны в виде модифицированных слоев на основе элементов покрытия и основы и внутреннего слоя (рис. 1, а, б) или протяженной диффузионной зоны (рис. 1, в) в зависимости от растворимости материала модификатора в титановом сплаве и энергетических параметров технологического процесса.

а) б) в)

Рис. 1. Микроструктура (х500) титановых сплавов после ионного модифицирования: а - сплав ВТ8М-1, обработанный в плазме сплавов на основе (№-Со-Сг-А1-У)+(А1-Со-81-У); б - сплав ВТ18У, обработанный в плазме сплава на основе системы №-Со-Сг-А1-У; в - сплав ВТ9, обработанный в плазме сплава на основе 2г-У

С целью определения работоспособности титановых сплавов ВТ8М-1, ВТ18У и ВТ25У при температурах до 600°С проведены испытания на жаростойкость исходных образцов без обработки и после ионного модифицирования. Результаты испытаний представлены на рис. 2 и 3.

100 150 200 250 300 350 400 450 500 Продолжительность испытаний, ч

Рис . 2. Жаростойкость при 600°С сплава ВТ18У после ионного модифицирования в плазме сплава Ni-Co-Cr-Al-Y (СДП-1):

, , о - Т1, Т2, Т3, Т4 - варианты ионной обработки; • - без покрытия

о «

а С

а)

4

V н 1-- -II

1,2

50 100 150 200 250 300 50 100 150 200 Пр о до л жит ел ьн о ст ь испытания, ч

250 300

Рис. 3. Жаростойкость (при температурах 500 (а), 550 (б) и 600°С (в)) сплава ВТ8М-1 после ионного модифицирования в плазме сплавов 50 100 150 200 250 300 №_А1_у (♦) и №_Со-Л1-У (): -Продолжительность испытания, ч без ионной обработки

Приведенные испытания на жаростойкость в области температур 500-600°С титановых сплавов после ионного модифицирования показывают, что метод ионной обработки поверхности обеспечивает защиту поверхности титановых сплавов от насыщения ее кислородом в течение всего времени испытаний. Однако в настоящее время наблюдается тенденция увеличения продолжительности наработки до 1000, 2000 и 5000 ч, что потребует дальнейших исследований как технологии ионного модифицирования, так и процессов, происходящих в зоне взаимодействия материала основы и модификатора.

Эрозионностойкие покрытия

Для защиты титановых сплавов от воздействия пылевоздушного и абразивного потока в ВИАМ были разработаны технологические процессы нанесения упрочняющих эрозионностойких покрытий на основе титана и циркония в среде реакционного газа (азот, ацетилен).

Оценка эрозионной стойкости ионно-плазменных покрытий на титановых сплавах осуществлялась методом сравнительных испытаний на специальном стенде. В качестве эрозионной среды использовался кварцевый песок Люберецкого карьера со средним размером частиц -300 мкм. Скорость частиц в потоке составляла ~20 м/с. Экспозиции подвергалась одна сторона плоского образца размером 25x25 мм (обратная сторона экранировалась от попадания частиц держателем, на котором закреплялся образец). Испытания проводились при двух различных ориентациях плоскости образца

относительно оси набегающего потока (углы атаки а): а=70 град (обтекание, близкое к лобовому удару) и а=20 град (касательное обтекание).

Результаты проведенных сравнительных испытаний титановых сплавов с покрытиями на основе нитридов и карбидов в зависимости от толщины, состава и технологии нанесения представлены на рис. 4-6. На гистограммах за единицу принят относительный эрозионный износ титанового сплава.

4,8АА 2,4

1,5

g =70 град

ч о

о

о" о к

0,5-

0

1,8

1,6

1,4

* 1,2 ¡5

° 1,0+1

§ 0,8

К

25 5, мкм

0,6

0,4

0,2 0

J J J

лл

VN Cr3C2 VC ZrN TiN TiC Mo2N V ZrC Mo2C CrN TaC NbN

Рис. 4 . Зависимость относительного Рис. 5. Зависимость относительного эрозионного эрозионного износа от толщины (5) по- износа (воздействие речного песка при Р=3 ат) от крытия (эрозионная стойкость спла- состава эрозионностойких покрытий на сплаве ва ОТ4-1 без покрытия ( О) принята за ОТ4-1 при угле атаки а=20 град (О ) и а=70 град единицу) при а=20 град и а=70 град ( СИ). Относительный износ ОТ4-1 без покрытия

принят за единицу

2,5

о о х

СО

К

35 3 х х о к

8 а

ел «

3 х л

4

<и

Ё о о X н О

1,5

0,5

а, град  20  70

<111>+<200> 0,03 0J7

<200> 0,6

<111>

0,7 2,30

Рис. 6. Зависимость относительного эрозионного износа ( - а=20 град;  - а=70 град) от текстуры эрозионностойкого покрытия TiN на титановом сплаве ВТ8М-1

Установлено, что эрозионная стойкость зависит от толщины наносимого покрытия. Так, покрытия с толщиной <10 мкм не обеспечивают нужной стойкости к пылевоз-душному потоку при угле атаки 70 град, а покрытия с толщиной >30 мкм при испытаниях выкрашиваются и скалываются из-за остаточных напряжений на уровне 10-15 ГПа.

Наиболее оптимальная толщина эрозионностойкого покрытия составляет 12-25 мкм, при этом остаточные напряжения сохраняются на уровне 0,5-1,5 ГПа, что обеспечивает необходимую адгезию и эрозионную стойкость и не приводит к сколам и выкрашиванию покрытия.

Эрозионно-жаростойкие покрытия

В ВИАМ проводятся работы по исследованию эрозионно-жаростойкого покрытия с целью возможности создания комплексной защиты титанового сплава ВТ8М-1 в области температур 450-600°С для обеспечения работоспособности во всеклиматиче-ских условиях.

Проведены испытания на жаростойкость и коррозию образцов из сплава ВТ8М-1 с многослойными эрозионно-жаростойкими покрытиями (№-Сг-А1-У)+ + 2г+ + (№-А1-У)+ + Zr+ + ZrN и Zr + ZrN при температурах 450-600°С. Установлено, что многослойные покрытия обладают жаростойкостью (привес 0,25-0,30 мг/см2) при температуре 450°С (табл. 3). По результатам испытаний в камерах солевого тумана (КСТ) и тропического климата (КТК) установлено (табл. 4 и 5), что на поверхности не наблюдаются коррозионные поражения и нет потери массы многослойного Zr+ + ZrN покрытия. Однако при использовании многослойных покрытий (№-Сг-А1-У)+ + Zr+ + ZrN и (№-А1-У)+ + Zr+ + ZrN на поверхности при испытаниях в КСТ наблюдаются единичные точки продуктов коррозии и питтинги, что приводит к потерям массы покрытий соответственно на 30 и 1-2%.

Таблица 3

Жаростойкость сплава ВТ8М-1 при температуре 450°С_

Тип покрытия Привес, мг/см2, Состояние покрытия

после испытания в течение, ч

100 200 300 500

Без покрытия 0,14 0,25 0,30 0,35 -

Zr+ + ZrN 0,10 0,15 0,21 0,25 Дефектов не наблюдается

Таблица 4

Испытания в камере тропического климата (в течение 3 мес) сплава ВТ8М-1 _с покрытиями и без покрытия_

Покрытие Потери массы, % Внешний вид после коррозионных испытаний

(№-А1-У)+ + Zr+ + ZrN Нет Без поражений

(№-С-А1-У)+ + Zr+ + ZrN То же То же

Zr+ + ZrN -«- -«-

Без покрытия -«- -«-

Таблица 5

Испытания в камере солевого тумана (в течение 3 мес) сплава ВТ8М-1 _с покрытиями и без покрытия_

Покрытие Потери массы, % Внешний вид после коррозионных испытаний

(Ni-A1-У)+ + Zr+ + ZrN 1-2 На поверхности единичные точки продуктов

коррозии

(Ni-Cr-A1-У)+ + Zr+ + ZrN 30 На поверхности образцов по 1 питтингу 0(1-

2) мм; по 3-4 питтинга 0(0,5-1,5) мм

Zr+ + ZrN Нет Без поражений

Без покрытия 1-2 Поверхность покрыта продуктами коррозии

Результаты испытаний на относительный эрозионный износ покрытия 2г+ + на титановом сплаве ВТ8М-1 приведены в табл. 6.

Таблица 6

Относительная эрозионная стойкость сплава ВТ8М-1 _с покрытием и без покрытия_

Угол атаки эрозионного потока а, град Тип покрытия Относительный эрозионный износ

70 Без покрытия 2г+ + 1 0,3

20 Без покрытия 2г+ + 1 0,15

По результатам исследований определена конструкция многослойного эрозионно-жаростойкого покрытия - жаростойкий слой + + эрозионный слой на титановом сплаве ВТ8М-1:

- жаростойкий слой формируется в плазме сплава на основе циркония;

- эрозионный слой формируется в плазме сплава на основе циркония в среде реакционного газа.

На рис. 7 представлена микроструктура эрозионно-жаростойкого покрытия на титановом сплаве ВТ8М-1.

Применение защитных и упрочняющих ионно-плазменных покрытий на изделиях из титановых сплавов

Разработанные технологии нанесения защитных и упрочняющих ионно-плазменных покрытий на титановых сплавах могут быть реализованы на установках МАП-1М (модернизированный вариант серийной промышленной установки МАП-1) или МАП-2 (установка МАП-1М с автоматизированной системой управления технологическим процессом - АСУ ТП), которыми оснащены моторные заводы отрасли, или на новой автоматизированной установке МАП-3 с возможностью ассистированного ион-но-плазменного осаждения.

Для защиты титановых сплавов ВИАМ предлагает следующие варианты:

- ионная обработка поверхности для защиты титановых сплавов от поверхностного окисления и обеспечения термостабильности при температурах 500-600°С; покрытия на основе нитридов 2гК для защиты титановых сплавов от воздействия пылевоздушно-го потока (толщина 15-30 мкм); применяются в серийном производстве на двигателях ТВ3-117, РД33 и др.;

- двухстадийные покрытия с эрозионностойким слоем на основе нитридов Т1К, 2гК и жаростойким слоем для защиты лопаток из титановых сплавов в различных климатических условиях (всеклиматика).

Рис. 7. Микроструктура (х3000) сплава ВТ8М-1 с многослойным эрозионно-жаростойким покрытием 2г +

Таким образом, разработанные защитные и упрочняющие ионно-плазменные покрытия для титановых сплавов обеспечивают повышение в 2-5 раза жаростойкости, многократное повышение эрозионной стойкости (в зависимости от угла атаки пылевоз-душного потока) и защитный эффект в общеклиматических и во всеклиматических условиях. Дальнейшие исследования и разработки ионно-плазменных покрытий на титановых сплавах будут направлены на повышение рабочих температур композиции основа-покрытие выше 600°С, что обеспечит защиту нового титанового сплава ВТ41 и сплавов на интерметаллидной основе. Увеличение доли применения жаропрочных титановых сплавов в конструкции деталей ГТД способствует снижению удельной массы двигателя.

В.Г. Анташев, О.С. Кашапов, Т.В. Павлова, Н.А. Ночовная

СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ ЖАРОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ КОМПРЕССОРА

Уже практически полвека титановые сплавы занимают прочное положение в конструкциях различных типов газотурбинных авиационных двигателей. К настоящему времени объем их применения составляет до 36% от массы двигателя, при этом основная масса потребления приходится на наиболее ответственные детали компрессора низкого и высокого давления - лопатки и диски.

Основными достоинствами титановых жаропрочных сплавов, подтвержденными многолетней эксплуатацией двигателей, являются высокие удельные характеристики прочности, жаропрочности и коррозионная устойчивость, обеспечившие высокую надежность и весовую эффективность двигателей.

На рис. 1 схематически показаны области применения различных титановых сплавов в зависимости от температуры рабочей зоны двигателя, а в табл. 1 - основные показатели их свойств.

ВТ5-1, ВТ-20 ВТ-22И, ВТ6 ВТ-3-1

ВТ6, ВТ8-1 ВТ8М-1, ВТ9 ВТ3-1

ВТ25У, ВТ8, ВТ9

ВТ18У, ВТ41

Рис. 1. Области применения жаропрочных титановых сплавов в конструкции компрессора ГТД