Ионная обработка поверхности титановых сплавов

Таким образом, насыщение поверхности ЖС углеродом перед нанесением на эту поверхность алюминидного покрытия обеспечивает длительную защиту внутренней полости охлаждаемой лопатки турбины из жаропрочного безуглеродистого сплава, что может найти применение при освоении этих сплавов в промышленности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каблов Е.Н., Светлов И.Л., Петрушин Н.В. //Материаловедение, 1997, №5, с. 14-17.

2. Каблов Е.Н., Мубояджян С.А., Будиновский C.A., Галоян А.Г. Защитные и упрочняющие покрытия лопаток турбин ГТД //Труды Междунар. науч.-техн. конф. «Научные идеи С.Т. Кишкина и современное материаловедение».- М.: ВИАМ, 2006, с. 55-65.

3. Walston W.S., Schaeffer J.C. and Murphy W.H. A New Type of Microstructural Instability in Superalloys - SRZ: In Superalloys 1996 //The Minerals, Metals & Materials Society, 1996, p. 9-18.

4. Locci I.E., MacKay R.A., Garg A., Ritzert Fr. Successful Surface Treatments for Reducing Instabilities in Advanced Nickel-Base Superalloys for Turbine Blades.-NASA/TM-212920, 2004, p. 1-28.

5. Schaeffer Jon C. Substrate stabilization of diffusion aluminide coated nickel-based sup-eralloy //Pat. 5.334.263 (US), 1994.

6. Ramgopal D. Method for fabricating a coated superalloy stabilized against the formation of SRZ //Pat. EP 1522607, 2005.

7. Wing Rodney George. A method of aluminizing a superalloy //Pat. EP 0821076, 1998.

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

ИОННАЯ ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

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

Одним из перспективных способов защиты титановых лопаток компрессора от воздействия окружающей среды является разработка надежных покрытий, обеспечивающих на рабочей поверхности лопаток образование защитных слоев с сопротивлением агрессивному воздействию среды, в несколько раз превышающим сопротивление материала основы [1-3].

Повышение рабочих температур при эксплуатации деталей ГТД является критичным 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 съему деталей. Поэтому защита поверхности

для решения проблемы обеспечения работоспособности при температурах выше 600°С деталей из титановых сплавов является актуальной задачей [4].

В работе рассмотрены вопросы повышения жаростойкости и термостабильности жаропрочных псевдо-а- и (а+Р)-титановых сплавов с целью обеспечения работоспособности в области температур 450-600°С.

Были проведены исследования и испытания титановых сплавов (ВТ8М-1, ВТ9, ВТ20, ВТ18У) после ионной обработки и модифицирования в плазме чистых металлов, бинарных систем и сплавов на основе никеля, алюминия, титана и циркония.

Исследования фазового состава проводились на дифрактометре D/MAX-2500 фирмы «Rigaku» в Cu K-излучении с симметричной и скользящей (асимметричной) геометрией съемки; элементного состава - с помощью SuperProb 733; испытания на жаростойкость, термостабильность и механические свойства - по методикам ВИАМ.

В проведенных исследованиях были опробованы различные способы ионной обработки поверхности титановых сплавов [4]:

- 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.

На рис. 1-3 представлены микроструктуры титановых сплавов после ионной обработки и модифицирования поверхности в плазме сплавов на основе никеля, алюминия и циркония. Показано, что при всех вариантах модифицирования наблюдается зона диффузионного взаимодействия элементов покрытия и основы, а также внешний и внутренний слои.

Были проведены рентгеноструктурные и микрорентгеноспектральные исследования титановых сплавов после ионной обработки с целью определения фазового и элементного состава модифицированных слоев. Результаты представлены в табл. 1-2 и на рис. 4.

а) б)

Рис. 1. Микроструктура (х500) титановых сплавов после ионного модифицирования: а - сплав ВТ18У, обработанный в плазме сплава на основе системы Ni-Co-Cr-Al-Y; б - сплав ВТ9, обработанный в плазме сплава на основе Zr-Y

Рис. 2. Микроструктура (х500) титанового сплава ВТ8М-1 после ионного модифицирования в плазме сплавов на основе никеля: а - (№-Л1-У)+; б - (№-Сг-Л1-У)+

Рис. 3. Микроструктура

Таблица 1

Фазовый состав поверхностных слоев титановых сплавов после ионного модифицирования

Материал основы Вид бомбардирующих ионов Фазовый состав поверхностного слоя

ВТ8М-1 Без обработки a-Ti + P-Ti

№-Сг-Л1-У (осаждение) a-Ti + y-Ni + Ni3Ti + Ti2Ni + Ni2Y

(№-Сг-Л1-У)+ a-Ti + P-Ti + TiNi(£2) + TiNi(519)'+ y-Ni

N1—А1—У (осаждение) a-Ti + y-Ni + Ni3Ti + Ti2Ni + Ni2Y

(№-Л1-У)+ a-Ti + P-Ti + TiNi(£2) + TiNi(519)'+ y-Ni

2г+ a-Ti + a'-Ti

ВТ9 Без обработки a-Ti + P-Ti

(№-Сг-Л1-У)+ a-Ti + P-Ti + TiNi(£2) + TiNi(£19)'+ y-Ni

(Л1-Ni-У) + a-Ti + Ti3Al + a-Al

ВТ18У Без обработки a-Ti + P-Ti

(№-Сг-Л1-У)+ a-Ti + P-Ti + TiNi(£2) + TiNi(£19)'+ y-Ni

ВТ25У Без обработки a-Ti + P-Ti

a-Ti + a'-Ti

Л1+ a-Ti + Ti3Al + a-Al

Таблица 2

Локальный химический состав образцов из сплава ВТ8М-1 после ионной обработки

Покрытие Слой Место анализа - Содержание элементов, %

система вариант покрытия точка (см. рис. 4) А1 11 Сг Со N1 У /г Мо Та Е

(сплав) обработки

М-А1-У 71 (см. Основа Точка «0» 5,4 85,7 0,3 0,1 Н/о* 0,1 1,5 4,6 1,2 Н/о* 99,0

рис. 4, а)

Первый 1(край) 7,4 0,8 2,9 0,3 84,6 0,8 0,4 0,1 Н/о* 0,3 97,6

2 (середина) 6,2 1,2 2,7 0,3 86,9 1,0 0,3 0,1 То же 0,2 98,9

3 (вблизи вто- 4,8 9,0 3,1 0,2 79,7 1,1 0,6 0,5 0,2 0,7 99,9

рого слоя)

Второй 4 3,6 46,9 1,2 0,2 44,0 0,3 1,0 2,3 0,5 Н/о* 100,0

Основной 5 (вблизи вто- 5,7 82,5 0,4 0,1 4,3 0,3 1,4 4,2 1,3 То же 100,2

металл рого слоя)

Т4 (см. Основа Точка «0» 5,5 85,9 0,1 Н/о* 0,1 0,2 1,5 4,3 1,2 0,2 99,0

рис. 4, б)

Первый 1(край) 7,5 1,7 2,7 0,3 82,7 0,8 0,4 0,1 Н/о* 1,1 97,3

2 6,0 6,0 2,7 0,2 81,2 0,7 0,5 0,1 0,1 1,0 98,5

3 2,1 20,3 0,6 0,3 72,0 0,5 0,6 0,5 Н/о* 0,8 97,7

4 1,8 24,5 0,4 0,3 67,8 0,1 0,6 0,8 0,2 0,8 97,3

Второй 5 3,3 36,8 0,4 0,3 53,4 0,2 0,6 2,3 0,6 Н/о* 97,9

6 3,4 40,7 0,4 0,2 47,9 0,3 0,8 2,2 0,6 0,5 97,0

СДП-2 71 (см. Основа Точка «0» 5,7 84,7 0,7 Н/о* 0,2 0,4 1,7 4,7 0,1 0,1 99,3

рис. 4, в)

Первый 1(край) 9,4 0,2 20,3 0,5 56,0 1,2 0,8 0,2 0,2 3,1 91,9

2 9,1 0,3 21,1 0,5 53,4 1,2 0,7 0,2 0,2 2,8 89,5

3 12,3 0,5 16,2 0,5 57,8 1,7 0,9 0,4 Н/о* 3,4 93,5

4 11,7 0,6 18,6 0,4 51,4 1,2 0,6 0,1 То же 2,6 87,2

5 8,8 0,7 23,5 0,5 53,8 1,1 0,5 0,2 -«- 2,9 92,0

6 11,5 0,8 17,3 0,4 55,8 1,3 0,7 0,3 -«- 3,4 91,5

7 8,2 2,4 21,9 0,5 53,6 0,9 0,4 Н/о* -«- 3,0 90,9

8(светлая 7,5 7,3 21,6 0,5 51,4 1,1 0,8 0,6 0,2 2,8 93,8

полоса)

Второй 9 (темная полоса) 5,9 36,8 12,8 0,3 34,5 0,9 1,2 1,2 0,1 1,8 95,5

10 (черная 5,3 66,0 6,2 0,2 13,5 0,7 1,1 3,9 1,0 0,3 98,2

полоса)

11 (вблизи 5,6 74,8 2,8 Н/о* 6,0 0,9 1,4 4,5 1,3 Н/о* 97,3

черной полосы)

Третий 12 (вблизи основ- 5,5 73,9 3,7 0,1 6,6 0,7 1,6 4,6 0,8 То же 97,5

ного металла)

Т4 (см. Основа Точка «0» 5,4 86,1 0,2 Н/о* 0,1 0,3 1,6 4,2 1,1 0,2 99,2

рис. 4, г)

Первый 1(край) 13,0 0,9 25,2 0,3 58,0 0,9 0,5 0,1 0,2 0,7 99,8

Между пер- 2 (черная 8,6 1,2 39,6 0,2 48,7 0,9 0,2 0,1 Н/о* Н/о* 99,5

вым и вторым полоса)

слоями

Второй 3 10,6 1,4 22,4 0,2 61,8 0,8 0,5 0,2 0,1 1,0 99,0

Между вто- 4 (черная 5,1 2,7 46,3 0,2 39,2 0,6 0,3 0,3 0,2 Н/о* 94,9

рым и треть- полоса)

им слоями

Третий 5 8,3 6,9 25,5 0,2 54,1 0,8 0,5 0,2 0,1 0,5 97,1

Между треть- 6 (черная 6,3 26,3 19,1 0,2 42,4 0,4 0,6 0,4 0,3 Н/о* 96,0

им и четвер- полоса)

тым слоями

Четвертый 7 3,6 47,3 3,5 0,1 38,4 0,2 0,9 2,0 0,4 То же 96,4

8 4,1 55,8 2,9 0,2 30,4 0,4 1,1 2,3 0,6 -«- 97,8

* Не обнаружено.

а)

б)

в)

Рис. 4. Микроструктура

По данным рентгеноструктурного анализа установлено, что в процессе ионной обработки и модифицирования поверхности титановых сплавов формируются интерме-таллидные соединения и твердые растворы на основе элементов покрытия и подложки. Например, при обработке титановых сплавов в плазме сплавов на никелевой основе в зоне взаимодействия формируются следующие фазы: ТГ№(82), Т1№(Ш9)', №3Т^ Т^№, Ni2Y; в плазме сплавов на алюминиевой основе - Т^Л1, Т1А1, Т1А1з, Т1А12, Т^Л15. Следует отметить, что в бинарных системах формирование интерметаллидных соединений определяется условиями ионной обработки поверхности, такими как температура, концентрация и время образования.

По данным послойного элементного анализа титановых сплавов после ионной обработки и модифицирования поверхности установлено, что модифицированные слои, сформированные преимущественно либо при осаждении материала покрытия, либо при модифицировании, состоят из диффузионной зоны и внешнего слоя покрытия (см. рис. 4). Например, при обработке в плазме сплава на основе никеля в зоне диффузионного взаимодействия наблюдаются слои переменного (градиентного) состава ^-(13,5-44)% №-(3,6-13)%Л1-(1,2-30)%Сг, соответствующие интерметаллидным соединениям и твердым растворам на основе никеля и титана.

Для оценки стойкости титановых сплавов к воздействию температур выше рабочих были проведены испытания на жаростойкость в области температур 500-600°С образцов из титановых сплавов после ионной обработки и модифицирования. Испытания

проводились в спокойной атмосфере печи, скорость окисления титановых сплавов после ионной обработки оценивали гравиметрическим способом путем определения изменения массы на единицу поверхности на базе 500 ч. Результаты испытаний на жаростойкость титановых сплавов в исходном состоянии и после ионной обработки и модифицирования в плазме сплавов на основе никеля и алюминия представлены на рис. 5-7.

а)

б)

л

/Р-Т

V

100 200 300 400 500 Время, ч

в)

Время, ч

Рис. 5. Жаростойкость при температуре 600°С на базе 500 ч образцов из сплава ВТ18У после ионной обработки и модифицирования с формированием покрытия №-Со-Сг-Л1^ (а), №-Сг-Л1^ (б) и №-Сг (в); 71-74 - различные варианты обработки: осаждение ( - 71); модифицирование ( - 72); модифицирование с последующим осаждением ( - 73); модифицирование с предварительным и последующим осаждением (• - 74); о - без покрытия

а)

Время испытания, ч б)

2

0.4Т-Щ---

50 100 150 200 250 300 Время испытания, ч

в)

Время испытания, ч

Рис. 6. Жаростойкость при температурах 500 (а), 550 (б) и 600°С (в) сплава ВТ8М-1 после ионного модифицирования в плазме сплавов №-Л1^ (•) и №-Со-Л1^ ();  - без ионной обработки

а) б)

Рис. 7. Жаростойкость при температуре 600°С сплавов ВТ20 (а) и ВТ9 (б) после ионного модифицирования в плазме сплава системы ВСДП-16 (Л1-№-У): ♦, , о - варианты обработки 71-74 соответственно; • - без обработки

Показано, что жаростойкость титановых сплавов существенно зависит от состава матрицы во всем диапазоне температур 450-600°С, а при увеличении температуры испытаний выше рабочих температур и до критической 620°С - от состава выбранного модификатора, так как с повышением температуры происходит поверхностное насыщение титанового сплава кислородом и азотом, что может привести к окислению на глубину в несколько десятков микрометров и, как следствие, к снижению механических свойств материала основы. Например, обработка титанового сплава ВТ8М-1 в плазме сплавов на основе никеля и алюминия позволяет снизить в 1,5-3 раза скорость окисления при длительных испытаниях на жаростойкость при 500-600°С; однако наблюдается и увеличение скорости окисления, связанное с термически стабильным поведением титанового сплава при температурах, близких к рабочим (450°С) (см. рис. 6), когда не выявляется склонности матрицы к поверхностному насыщению кислородом. Такую же тенденцию наблюдали для жаропрочного сплава ВТ18У, обработанного в плазме сплавов на основе №-Сг-Л1-У (СДП-2), №-Сг и №-Со-Сг-А1-У (СДП-1) (см. рис. 5). Этот факт, возможно, связан с образованием оксидной пленки (двуоксид титана ТЮ2) на поверхности титанового сплава, которая с увеличением температуры может изменять кристаллическое строение и стехиометрический состав, что подтверждено результатами рентгеноструктурного анализа.

а) б) в)

Рис. 8. Микроструктура (х500) образцов из сплава ВТ8М-1 после ионного модифицирования в плазме сплава №-Л1-У:

а - исходное покрытие; б - после длительных нагревов при температуре 600°С на базе 500 ч; в - после испытаний на циклическую коррозию при температуре 600°С

Однако обработка титановых сплавов в плазме сплава на алюминиевой основе (ВСДП-16 системы А1-№-У) по различным технологическим схемам приводит к значительному снижению скорости окисления по сравнению со скоростью окисления материала основы вследствие формирования на поверхности оксидов алюминия (см. рис. 7).

Проведены испытания на коррозию титанового сплава ВТ8М-1 с целью оценки скорости окисления при температурах 450-600°С. Результаты металлографического исследования титанового сплава ВТ8М-1 после ионного модифицирования, длительных нагревов и испытаний на коррозионную стойкость при температуре 600°С представлены на рис. 8.

Для оценки влияния ионной обработки и модифицирования поверхности титановых сплавов на механические характеристики материала основы проводили испытания на длительную прочность образцов из титановых сплавов с различными вариантами ионной обработки поверхности (71-74), а также после длительных нагревов в течение 500 ч. Результаты испытаний представлены в табл. 3-5.

Показано, что для титанового сплава ВТ9 после обработки в плазме сплава на алюминиевой основе по технологиям 72, 73 и 74 снижается уровень длительной прочности, а по технологии 71 длительная прочность сохраняется на уровне свойств материала основы. Такая же тенденция наблюдается для сплава ВТ18У, за исключением случаев использования модификатора на основе №-Сг, - при обработке по технологиям 72 и 73 уровень длительной прочности на базе 100 ч при температуре 500°С не снижается.

В результате испытаний на длительную прочность образцов сплава ВТ8М-1 с исходной ионной обработкой и после термостатирования при температуре 500°С на базе 500 ч установлено, что применение технологии 71 (№-Сг-А1-У и М-А1-У) не снижает уровня длительной прочности при испытании с ионной обработкой без термостатирования по сравнению со свойствами материала основы. Однако испытания показали, что ионная обработка и последующее термостатирование образцов титанового сплава приводит к значительному снижению уровня длительной прочности по сравнению со свойствами материала основы, что, вероятно, связано с образованием в процессе нагревов тонкой пленки оксида титана, обеспечивающей защитный эффект и обладающей пластичностью.

Таблица 3

Испытания на длительную прочность при 500°С образцов сплава ВТ9 после ионного модифицирования в плазме сплава системы А1-№-У

Вид обработки Длительная прочность

о, МПа х, ч

Без обработки (исходное состояние) 600 214; 198

71 600 218,5; 211

72 600 85; 100

73 600 94,5; 107

74 600 68; 70

Таблица 4

Испытания на длительную прочность при 500°С образцов сплава ВТ18У после ионного _модифицирования в плазме сплавов на основе никеля_

Покрытие Вид обработки Длительная прочность

о, МПа X, ч

Без обработки (исходное состояние) 660 92,5; 50

М-Сг Т\ 660 82,5; 90

72 660 126; 120

73 660 102; 98

Т4 660 89; 93

№-Сг-А1-У Т\ 660 92,5; 90

72 660 82; 84

73 660 55,5; 51

Т4 660 81; 79

№-Со-Сг-А1-У Т\ 660 101; 104

72 660 99; 98

73 660 85; 81

74 660 52; 55

Таблица 5

Испытания на длительную прочность при 500°С образцов титанового сплава ВТ8М-1 _после ионного модифицирования и термостатирования_

Покрытие Вид ионной обработки Режим термостатирования X, Ч

Б №-Сг-А1-У №-А1-У 2г ез обработки Т1 74 Т1 74 Модифицирование Без > термостатирования 212; 264,5 192; 173 59,5; 63 206; 199 69; 85,5 44; 51,5

Б №-Сг-А1-У №-А1-У 2г ез обработки 74 Т1 Модифицирование Термостатирование ' при 500°С, 500 ч 101; 130 45; 47 45,5; 50 37,5; 41

Результаты проведенного комплекса исследований и испытаний группы жаропрочных псевдо-а- и (а+Р)-титановых сплавов после ионной обработки и модифицирования поверхности показывают, что при температурах 450-500°С титановые сплавы менее склонны к поверхностному окислению из-за формирования на поверхности тонкой пленки из оксида титана, а при температурах 500-600°С и выше наблюдается склонность к насыщению поверхности кислородом и азотом на глубину до нескольких десятков микрометров. Установлено, что процессы ионной обработки и модифицирования поверхности титановых сплавов необходимо проводить в тонких слоях, в сумме не превышающих толщины 7-10 мкм, так как увеличение толщины покрытия приводит к снижению механических свойств. Дальнейшее увеличение температуры до критической: 620°С и выше - для титановых сплавов, применяемых в КВД, может приводить к возникновению процессов горячей коррозии, что требует, с одной стороны, разработки новых систем защитных покрытий или, с другой - новых титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением (ВТ41) и на интерметаллидной основе а2(Т13А1)+у(Т1А1) или только у(Т1А1), обладающих высокой жаростойкостью в области температур 600-800°С.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Помелов Я.А. Современные процессы ионной обработки поверхности в плазме вакуумного дугового разряда //В сб.: Авиационные материалы и технологии. Вып.: Высокожаропрочные материалы для современных и перспективных газотурбинных двигателей и прогрессивные технологии их производства.- М.: ВИАМ, 2003, с. 102-116.

2. Луценко А.Н., Мубояджян С.А., Будиновский С.А. Промышленные технологические процессы ионной обработки поверхности //В сб.: Авиационные материалы и технологии.- М.: ВИАМ, 2005, №1, с. 30-40.

3. Мубояджян С.А., Луценко А.Н. Ионное модифицирование поверхности - перспективный процесс для защиты лопаток компрессора ГТД от солевой коррозии и эрозии //Труды международн. научн.-техн. конф., посвященной 100-летию со дня рождения академика С.Т. Кишкина.- М.: ВИАМ, 2006, с. 314-319.

4. Мубояджян С.А., Луценко А.Н., Горлов Д.С. Перспективы применения ионно-плазменных покрытий для титановых сплавов. //В сб.: Перспективы развития и применения титановых сплавов для самолетов, ракет, двигателей и судов, посвященного 55-летию лаборатории «Титановые сплавы для конструкций самолетов и двигателей».- М.: ВИАМ, 2007, с. 61-68.

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

ЭРОЗИОННО-КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ8М-1

Одним из перспективных способов защиты титановых лопаток компрессора от воздействия окружающей среды в различных климатических условиях является разработка надежных покрытий, обеспечивающих на рабочей поверхности лопаток образование защитных слоев с сопротивлением агрессивному воздействию среды, в несколько раз превышающему 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.

ВИАМ провел работы по выбору материала и конструкции покрытия, а также исследование возможности создания эрозионно-жаростойкого покрытия с целью разработки комплексной защиты жаропрочного титанового сплава ВТ8М-1 во всеклимати-ческих условиях в области температур 450-600°С [1-3].

В работе приведены результаты исследований по разработке эрозионно-жаростойких защитных покрытий, наносимых методами вакуумной плазменной технологии высоких энергий (ВПТВЭ) и технологии плазмохимического синтеза (ТПХС), для защиты титановых лопаток компрессора ГТД от воздействия окружающей среды во всеклиматических условиях.

Проведен экспериментальный анализ эрозионной стойкости большой группы керметных покрытий различного состава в контакте с жаропрочным титановым сплавом ВТ8М-1.

В качестве вариантов защитных покрытий использовались:

- керметные слои мононитридов (МеК) и монокарбидов (МеС) чистых металлов, где Ме: Т1, 2г, Сг (толщиной 5=10-25 мкм);

- керметные слои нитридов на основе сплавов титана, циркония (толщиной 5=4-20 мкм);

- керметные слои с прослойками, полученными из предварительно нанесенных слоев на основе чистых металлов (толщиной 5=10-25 мкм);