Проблемы тепловой защиты и разработка защитных покрытий для лопаток авиационных газовых турбин

УДК 621.372

А.С.Самедов, Т.Б. Усубалиев Национальная Академия Авиации, Азербайджан

ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ И РАЗРАБОТКА ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ЛОПАТОК АВИАЦИОННЫХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН

Представлены результаты исследований по разработке состава новых защитных покрытий для лопаток высокотемпературных газотурбинных двигателей. Создан банк данных по составу, физико-химическим и эксплуатационным характеристикам современных высокотемпературных защитных покрытий. С использованием законов физического металловедения проанализированы первичные и промежуточные фазы твердого раствора, сделаны прогноз и оценка качества эмпирических параметров, входящих в модели различных физико-химических свойств сплавов. Для проведения экспериментальных исследований использован метод планирования эксперимента, на основе которого определено количество проводимых опытов при полном факторном анализе.

Лопатки газовых турбин, защитные покрытия, корреляционно-регрессионный анализ.

Введение

Проблеме повышения надежности и долговечности уделяется особое внимание при создании, эксплуатации и ремонте авиационной техники и, в частности, газотурбинных двигателей (ГТД). Ресурс авиационных двигателей определяется долговечностью наиболее ответственных деталей горячего тракта, таких как, диски, рабочие и сопловые лопатки.

Рабочие лопатки газовой турбины (ГТ) являются наиболее нагруженными деталями ГТД, работают в условиях высоких температур нагрева, напряжений и агрессивной среды продуктов сгорания топлива. Газовый поток оказывает не только химическое, но и механическое воздействие на поверхностный слой лопаток турбины, вызывая коррозионное и эрозионное разрушение.

Поэтому весьма актуальной является задача разработки высокоэффективных методов увеличения долговечности лопаток ГТ путем создания новых систем защиты от химического и механического разрушения поверхностных слоев. Надежная работа авиадвигателей в условиях воздействия высоких термомеханических нагрузок возможна только при применении материалов с улучшенными жаропрочными и жаростойкими свойствами, использовании новых систем охлаждения и разработке надежных защитных покрытий [1].

Целью разработки различного типа покры-

тий является защита металлической основы от воздействия высоких температур. Именно покрытия дают возможность значительно увеличить срок использования лопаток и во многих случаях служат именно тем слоем, который принимает на себя разрушающее воздействие высоких температур и других факторов.

В настоящее время одной из основных задач современных технологий является получение многокомпонентных покрытий. При формировании конденсатов на основе многокомпонентных материалов одной из основных проблем является получение покрытий заданного состава.

Целью настоящей работы является выбор оптимального состава защитного покрытия для лопаток высокотемпературных авиационных газовых турбин.

Задача прогнозирования синтеза сплава особенно сложна и в настоящее время сформулированы лишь пути, на которых ожидается получение необходимой информации [2]. Трудности при решении этой задачи весьма значительны, как при выборе основных характеристик, так и при их определении. Поэтому при математическом моделировании защитного покрытия в качестве первого этапа решалась проблема выбора факторов, определяющих растворимость элементов друг в друге, входящих в состав покрытий и наиболее перспективных компонентов сплава, включенных в математическую модель.

Прогресс в области синтеза новых сплавов в значительной степени сдерживается отсутствием

© А.С.Самедов, Т.Б. Усубалиев, 2008

ШЯЫ1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2008

- 163 -

эффективных методов определения области поиска. В большинстве приходится руководствоваться интуицией исследователя в выборе нужных композиций сплавов для исследования. Затрачиваются огромные средства на исходные дефицитные материалы, дорогостоящее оборудование и проведение большого количества плавок.

Возникает необходимость в эффективных методах прогноза состава новых сплавов с необходимым комплексом свойств, который рационально сузит область поиска, сделав затрату тех же средств во много раз эффективней. В связи с этим использован новый подход к проблеме прогнозирования состава покрытий, опирающийся на возможности современных компьютерных технологий и применение различных методов идентификации.

Решение проблемы

Для решения данной задачи создана база данных по современным сплавам защитных покрытий, которая содержит сведения более чем о 508 сплавах, опубликованных в различных источниках глубиной поиска 50 лет, по состоянию на 2007 год.

Для проведения исследований структуры и физико-химических свойств сплавов, а также анализа возможности получения различных твердых растворов была собрана информация о различных характеристиках элементов, входящих в состав покрытий. Многие обьемные свойства атомов связаны с такими характеристиками, как радиус атомов и ионов, расположение энергетических уровней атома, электронная конфигурация атома, типы кристаллической решетки элементов, электроотрицательность по Полингу, энергия ионизации атома.

С помощью пакета прикладных программ «8ТАТ18Т1СА» был собран банк данных, содер-жающий характеристики атомов элементов системы Менделеева, проанализированы фазы твердого раствора, сделаны прогноз и оценки качества эмпирических параметров. Основой базы данных «8ТАТ18Т1СА» послужил банк данных, содержащий сведения об атомах 23 элементов:

Со, Сг, №, Al, Y, Ta, W, Si, Ш, Mn, Mo,

Т, гг, Pt, С, Ьа, Яе, №Ь, Бе, V, Sn, Яи,

1г, которые и были использованы в качестве параметров модели, разрабатываемой на следующем этапе. Предварительно произведен выбор критериев оценки качества моделей. Этому вопросу уделено особое внимание. Использована обьемная модель, т.е. 23-мерное пространство признаков. Отличительным признаком каждого сплава является его химический состав, т.е. процентное содержание каждого легирующего элемента, входящего в состав покрытия. Набор химичес-

ких элементов принят за вектор признаков. Тогда каждый сплав можно представить в пространстве признаков отдельной точкой [3].

Для решения поставленной задачи использован корреляционной анализ элементов, входящих в состав сплавов покрытий [4]. Анализ показал что, наиболее значимые связи существуют между элементами х1 = Со ; х2 = Сг ; х3 = № ; х4 = А1; х6 = Та; х7 = W; х12 = Т; х14 = Р; х22 = Яи. Коэффициент корреляции между величинами х1 и х2 равен г = -0,25339, х1 и х3 - г = -0,6385, х1 и х4 - г = -0,2878 , х1 и х6 - г = -0,1517 , х1 и х7 - г = -0,0998, х1 и х12 - г = -0,1939, х1 и х14 - г = -0,1649 , х1 и х22 - г = -0,1001 (рис. 1). Из полученных данных видно, что коэффициенты корреляции значимо отличаются от нуля и имеют жесткую положительную зависимость. По полученным коэффициентам корреляции можно сделать вывод о существенности линейной зависимости между двумя рассматриваемыми элементами. При этом ошибка, нормированная по теоретической оценке, равна 0,015597.

На основе регрессионного анализа построена многомерная линейная модель, в которой в качестве выходного параметра был принят х1 = у [4].

После получения математической модели в качестве точки начального приближения были выбраны диапазоны процентного содержания каждого выбранного элемента.

Заключение

Разработан новый подход к проблеме прогнозирования состава защитных покрытий для лопаток авиационных газовых турбин. Создана база данных по составу, физико-химическим и эксплуатационным характеристикам современных защитных покрытий, которая содержит сведения более чем о 508 сплавах. В среде пакета прикладных программ «^ТАТКТГСА» с использованием законов физического металловедения проанализированы первичные и промежуточные фазы твердого раствора, сделаны прогноз и оценка качества эмпирических параметров, входящих в модели различных физико-химических свойств сплавов.

На основе выбора элементов, имеющих наибольшие корреляционные связи с определением диапазонов их процентного содержания, с учетом атомного радиуса и типа кристаллической решетки получен состав нового высокотемпературного защитного покрытия для лопаток газовых турбин следующего химического состава: Сг - А1 - Р - Ме [5-7].

В системе Сг - А1 - Pt - Ме основу составля-

Рис. 1. Линейные зависимости между элементами а) х1 и х2; б) х1 и х3; в) х1 и х4, г) х1 и х6, д) х1 и х7, е) х1 и х12, м) х1 и х14, н) х1 и х22, входящими в состав

1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2008

- 165

ет хром, атомный радиус которого равен 1,27 °А, а тип кристаллической решетки кубический. Размерным фактором для Сг, т.е. отличием радиусов атомов других элементов, входящих в состав сплава, не более, чем на 15%, будет

Яшах = Яос.м - (Яос.м X 0,15) = 1,07950А Яшл = Яосм + (Яос.м X 0,15) = 1,4605° А

Следовательно, элементы, атомные радиусы которых лежат в интервале Я = 1,0795  1,46050А , с Сг будут составлять твердый раствор замещения. Атомные радиусы всех остальных трех элементов входят в этот интервал.

Для проведения исследований использован метод планирования эксперимента, на основе чего с помощью классического соотношения было определено количество проводимых опытов при полном факторном анализе, которое равно 16 [8].

Применение метода планирования эксперимента при исследовании синтеза сплавов защитных покрытий позволило сократить время и материальные затраты. Рентгенофазовым и термическим анализами подтверждена корректность разработанного подхода и адекватность моделей, полученных с использованием корреляционно-регрессионного анализа.

Литература

1. Мехерван Б. Турбомашиностроение в следующем тысячелетии // Спец. журнал. Газотурбинные технологии.— 2000.— Вып. 3, №5.— С. 2—7.

2. Ганеев А.А. Расчет и исследование свойств жаропрочных никелевых сплавов для авиационных двигателей. Комплексная методика расчета

// Известия вузов. Авиационная техника.—1998.— №3.-С. 66-71.

3. Усубалиев Т.Б. Исследование состава защитных покрытий лопаток газовых турбин //Всероссийская молодежная научная конференция Мавлютовские чтения. — УФА, 2007.- С. 25.

4. СамедовА.С., Усубалиев Т.Б. Комплексная методика выбора состава защитных покрытий для лопаток газовых турбин // Авиационно-космическая техника и технология.— 2008.— Вып. 49, — №2.— С.73—77.

5. Пашаев А.М., Самедов А.С., Усубалиев Т.Б., Рзаев Т.Б., Ганбаров Д.М. Способ получения защитных покрытий на лопатках газовых турбин./ Патент АР №а20070173, 2007.

6. Самедов А.С., Усубалиев Т.Б. Тепловая защита авиационных газотурбинных двигателей. Научные основы выбора состава покрытий/ Химические проблемы. — Баку: Институт химических проблем НАН Азербайджана, 2007. — №3. — С. 436—443.

7. Ибрагимов З.А, СамедовА.С., Усубалиев Т.Б. Основы формирования состава защитных покрытий для лопаток авиационных газовых турбин/ Химические проблемы. — Баку: Институт химических проблем НАН Азербайджана, 2007. — №4. С. 655—659.

8. Пашаев А.М., Ибрагимов З.А., Самедов А.С., Усубалиев Т.Б. Современные технологии тепловой защиты высокотемпературных авиационных газотурбинных двигателей //Международная научная конференция. Перспективные материалы и технологии. Сб. материалов. — Витебск, 2008.— С. 104—116.

Поступила в редакцию 01.07.08

Рецензент: докт. техн. наук, проф. член-корр. Г.И. Келбелиев, НАН Азербайджана.

Представлено резулътати розрахунково-експерименталъних дослгдженъ з розробки ма-тематичних моделей прогнозування складу та отримання нових композицш захисних покриттгв лопаток газових турбт. Виявлено основы шляхи дослгдженъ математичних моделей прогнозування складу покриттгв для отримання нових композицш.

Results of researches on development of structure of new protective coatings for blades high-temperature gas turbine engines are submitted. The databank on structure, physical-chemical and operational characteristics of modern high-temperature protective coatings is created. With use of laws of physical metallurgical science primary and intermediate phases of a firm solution are analysed, the forecast and an estimation of quality of the empirical parameters which are included in models of various physical-chemical properties of alloys are made. For carrying out of experimental researches the method of planning of experiment on the basis of which the quantity of spent experiences is determined at the full factorial analysis is used.