Эрозионно-коррозионностойкие ионно-плазменные покрытия для защиты титанового сплава ВТ8М-1

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 (MeN) и монокарбидов (MeC) чистых металлов, где Ме: Zr, & (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);

- многослойные покрытия систем (Co-Ni-Cr-Л1-У)+MeN; (Ni-Cr-Al-Y)+MeN; (М-А1-У)+ +MeN; Ме+Ме^ получаемые последовательным нанесением слоев данных материалов, причем внешний слой наносят в среде реакционного газа (5=20-40 мкм).

С целью оценки эффективности выбранных вариантов защитных покрытий были проведены испытания на коррозионную и эрозионную стойкость в общеклиматических и во всеклиматических условиях.

Для определения коррозионной стойкости в морских условиях использовалась стандартная методика ускоренных циклических испытаний, по которой образцы с различными вариантами покрытий нагревались в воздушной среде до заданной температуры (испытания проводились при 500 и 600°С), далее осуществлялась выдержка в течение 1 ч, затем образцы подстуживались на воздухе 2-3 мин и охлаждались в 3%-ном растворе №С1 (методом окунания), после чего выдерживались во влажном эксикаторе в течение 22-24 ч. После каждого цикла испытаний (нагрев —> выдержка в эксикаторе) проводился осмотр образцов с целью выявления дефектов и определения степени поражения поверхности образца.

Результаты испытаний при температурах 500-600°С позволили выявить варианты защитных покрытий, которые после 10 циклов испытаний не имели дефектов на контрольной поверхности:

Повышение температуры испытаний до 600°С привело к сокращению числа вариантов защитных покрытий, обеспечивающих высокую коррозионную стойкость композиции сплав-покрытие. При этом среди испытанных вариантов конденсированных покрытий из чистых металлов и сплавов не было выявлено композиций с высоким защитным эффектом. Наибольшей стойкостью обладали образцы с двухслойными комбинированными покрытиями следующих типов: (Со-№-Сг-Л1-У)+(Л1-Со-81-У), (Со-№-Сг-А1-У)+(А1-№-У). При этом лучшие показатели по совокупности всех испытаний имело покрытие системы (Со-№-Сг-А1-У)+(Л1-Со-81-У).

Требования, предъявляемые к коррозионной стойкости защитных покрытий для лопаток компрессора ГТД, подразумевают (при наличии высоких антикоррозионных характеристик) и способность длительно защищать материал лопатки от обычной газовой коррозии при максимальной рабочей температуре. С целью оценки жаростойкости для нескольких типов покрытий были проведены испытания на образцах из сплава ВТ8М-1 при выдержке в спокойной воздушной атмосфере печи в течение 500 ч при температуре 450-600°С (рис. 1 и 2). Результаты испытаний показали, что покрытия системы (Со-№-Сг-А1-У)+(А1-Со-81-У) и обладают высокой жаростойкостью и окалиностойкостью в условиях проведенных испытаний. Данные по испытаниям на жаростойкость титанового сплава ВТ8М-1 с покрытием

в области температур

450-600°С приведены в табл. 1-3.

Рис. 1. Жаростойкость при температуре 600°С титанового сплава ВТ8М-1 без покрытия () и с двухстадийным покрытием СДП-1+ВСДП-20 (♦) после комбинированной ионной обработки в плазме сплавов системы М-Со-Сг-А1-У и А1-Со-81-У

Рис. 2. Жаростойкость при температуре 450°С титанового сплава ВТ8М-1 с эрозион-но-коррозионностойкими покрытиями: ♦ - (М-А^У^^^;  - (М-С-А^У^^^;  - 2г++2^; о - без обработки

Жаростойкость сплава ВТ8М-1 с многослойными покрытиями и без покрытия при 450°С

Тип покрытия

Изменение массы, мг/см , после испытания в течение, ч

100

200

300

500

Без покрытия

(№-А1^)++2г++2^

(Ni-Cr-Al-Y)++Zr++ZrN

0,14 0,14 0,16 0,10

0,25 0,20 0,22 0,15

0,30 0,29 0,28 0,21

0,35 0,30 0,32 0,25

Таблица 2

Жаростойкость сплава ВТ8М-1 с многослойными покрытиями и без покрытия при 500°С

Тип покрытия

Изменение массы, мг/см , после испытания в течение, ч

100

400

Без покрытия

(№-А1^)++2г++2^

(№-Сг-А1^)++2г++2Ш

0,11 -0,080 -0,094 -0,077

0,15 -1,40 -1,51 -1,35

Таблица 3

Жаростойкость сплава ВТ8М-1 с многослойными покрытиями и без покрытия при 600°С

Тип покрытия Изменение массы, мг/см2, после испытания в течение, ч

30 50 100

Без покрытия 0,038 0,089 0,153

(№-А1^)++2г++2^ 0,165 0,165 -1,858

(№-Сг-А1^)++2г++2Ш -1,158 -1,400 -2,381

0,254 0,318 -0,959

Таблица 4

Результаты испытаний в камере тропического климата сплава ВТ8М-1

с покрытиями и без покрытия

Покрытие Длительность испытаний, мес Потери массы, % Внешний вид поверхности после коррозионных испытаний

(№-А-У)++2г++2^ (№-Сг-А-У)++2г++2^ Без покрытия  3 Нет То же -«- -«- Без поражений То же -«- -«-

Таблица 5

Результаты испытаний в камере солевого тумана сплава ВТ8М-1 _ с покрытиями и без покрытия_

Покрытие Длительность Потери Внешний вид поверхности

испытании, мес массы, % после коррозионных испытании

(№-А-У)++2г++2^ \ 1-2 Единичные точки продуктов коррозии

(№-Сг-А-У)++2г++2^  3 30 На каждом образце по 1 питтин-гу 0( 1-2) мм, по 3-4 питтинга 0(0,5-1,5) мм

Нет Без поражений

Без покрытия У 1-2 Поверхность покрыта продуктами коррозии

По результатам климатических 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 2г++2гК покрытия, однако при испытаниях в КСТ на поверхности наблюдаются единичные точки продуктов коррозии и питтинги, что приводит к потерям массы многослойных (№-Сг-Л1-У)++2г++2гК и (№-Л1-У)++2г++2гК покрытий соответственно на 30 и 1-2%.

Были проведены металлографические исследования многослойных покрытий на титановом сплаве ВТ8М-1 в исходном состоянии и после испытаний на жаростойкость и коррозию. Микроструктура многослойного покрытия на титановом сплаве представлена в виде трехслойной композиции: коррозионный слой + промежуточный подслой + + эрозионный слой (рис. 3).

а) б) в)

О V 'Л '

^^^ИИ^^^^^И • '' ' • ;

Рис. 3. Микроструктура (*500) сплава ВТ8М-1 с многослойными покрытиями: а - (№-Сг-Л1-У)++2г++2гК; б - (М-Л1-У)++2г++2гК; в - 2г++2гК

Проведены микрорентгеноспектральные и рентгеноструктурные исследования эрозионно-коррозионностойких ионно-плазменных покрытий на титановом сплаве ВТ8М-1. Микроструктура эрозионно-коррозионностойких покрытий и послойный элементный анализ представлены на рис. 4 и в табл. 6.

а) б) в)

Рис. 4. Микроструктура титанового сплава ВТ8М-1 с эрозионно-коррозионностойкими покрытиями: а - 2г++2гК

Локальный химический состав образцов из сплава ВТ8М-1 с покрытием

Покрытие Слой Место анализа - точка Содержание элементов, %

покрытия (см. рис. 4) А1 81 Т1 Сг N1 У Хх № Мо 8п Е

Основа Точка «0» (центр образца) 5,5 0,1 86,5 0,7 Н/о* 0,1 1,3 0,1 4,2 1,4 99,9

Первый 1 (край) Н/о* 1,0 0,1 Н/о* 0,2 1,9 90,5 Н/о* Н/о* Н/о* 93,7

2 (середина) То же 1,3 0,1 0,1 0,1 1,9 90,7 То же 0,5 То же 94,7

3 (вблизи второго слоя) -«- 1,0 3,3 Н/о* 0,1 1,8 90,2 -«- 1,4 -«- 97,8

Второй 4 1,3 0,9 25,8 0,5 Н/о* 1,9 66,4 0,1 2,0 0,7 99,6

5 (вблизи второго слоя) 1,5 1,1 37,2 0,5 То же 1,7 54,5 0,8 2,4 0,6 100,3

Третий 6 (середина) 2,1 0,6 44,7 0,3 0,1 1,6 45,5 0,8 3,2 0,6 99,5

7 (вблизи основного 2,5 Н/о* 49,6 0,2 0,1 0,1 41,5 1,8 3,4 0,6 99,8

металла)

(М-А-У)+ + Основа Точка «0» (центр образца) 5,4 То же 86,7 0,4 0,1 0,4 1,5 0,3 4,2 1,4 100,4

Первый 1 (край) 0,1 -«- 0,1 Н/о* 0,2 Н/о* 92,4 1,2 Н/о* Н/о* 94

2 (середина) Н/о* -«- 0,1 То же 0,3 То же 91,1 1,1 То же То же 92,6

3 (вблизи второго слоя) То же -«- 0,3 0,1 1,0 -«- 92,6 1,2 -«- -«- 95,2

Второй 4 1,0 -«- 1,3 0,5 21,0 -«- 71,6 2,1 -«- 0,4 97,9

Третий 5 (вблизи второго слоя) 7,1 -«- 38,6 4,0 34,8 1,1 11,0 0,8 0,3 0,6 98,3

6 (середина) 2,6 -«- 60,5 0,3 31,8 0,1 1,3 0,1 1,0 0,1 97,8

7 (около зоны взаи- 2,4 -«- 41,8 1,7 48,3 Н/о* 0,9 0,1 0,4 0,3 95,9

модействия)

8 (около зоны взаи- 3,5 1,0 72,7 0,4 12,1 То же 1,0 0,3 5,5 0,7 97,2

модействия)

9 (вблизи основного 4,5 1,4 77,0 0,3 5,9 -«- 0,9 Н/о* 6,6 1,3 97,9

металла)

(М-Сх-А-У)+ + Основа Точка «0» (центр образца) 5,4 0,2 86,6 0,3 Н/о* 0,1 1,5 0,2 4,2 1,2 99,7

Первый 1 (край) Н/о* 0,6 0,2 0,2 0,4 Н/о* 92,4 1,4 Н/о* 0,2 95,4

2 (середина) То же Н/о* 0,2 Н/о* 0,3 То же 92,9 1,3 То же Н/о* 94,7

3 (вблизи второго слоя) -«- То же 0,3 0,2 1,7 -«- 94,0 0,8 -«- 0,4 97,4

Второй 4 0,6 0,3 0,5 3,9 23,2 -«- 70,2 1,4 -«- Н/о* 100,1

5 18,4 Н/о* 2,3 36,3 38,3 0,6 3,4 0,2 -«- То же 99,5

6 9,5 То же 19,2 35,7 32,5 0,7 0,5 0,1 -«- -«- 98,2

Третий 7 6,1 -«- 35,7 19,9 34,9 0,5 1,2 0,1 0,4 0,1 98,9

Четвертый 8 3,3 -«- 42,9 6,2 38,4 0,1 0,9 0,1 0,2 0,1 94,2

9 (вблизи основного 2,6 -«- 59,7 2,1 32,6 Н/о* 1,1 Н/о* 0,9 0,2 99,2

металла)

Основной 10 5,6 -«- 77,2 1,2 7,6 0,2 1,3 0,3 4,3 1,3 99

металл

* Не обнаружено.

На рис. 5-7 представлены микроструктуры титанового сплава ВТ8М-1 с эрози-онно-коррозионностойкими покрытиями после термостатирования по режиму 450°С, 200 ч в контакте с раствором 3%-ного NaCl (см. рис. 5); после испытаний на коррозионную стойкость в 3%-ном растворе после нагрева до 600°С, в течение 10 циклов (см. рис. 6) и 20 циклов (см. рис. 7) (1 цикл: нагрев до 600°С^охлаждение в 3%-ном №0). Показано, что по результатам металлографических исследований после коррозионных испытаний эрозионно-коррозионностойких покрытий наблюдается сохранение структуры слоев, однако при визуальном осмотре поверхности титанового сплава с покрытиями наблюдаются единичные точки продуктов коррозии и питтинги на образцах с покрытиями (Ni-Cr-Al-Y) ++Zr++ZrN и (Ni-Al-Y)++Zr++ZrN; на образцах с покрытием Zr +ZrN повреждений не обнаружено.

а) б)

в)

Рис. 5. Микроструктура (*500) титанового сплава ВТ 8М-1 с эрозионно-коррозионностойкими покрытиями после термостатирования по режиму 450°С, 200 ч в контакте с раствором 3%-ного №0: а - (Ni-Cr-Al-Y)++Zr++ZrN; б - (Ni-Al-Y)++Zr++ZrN; в - Zr++ZrN

Рис. 6. Микроструктура (*500) титанового сплава ВТ8М-1 с эрозионно-коррозионностойкими покрытиями после испытаний на коррозионную стойкость в 3%-ном растворе №0 при 600°С, 10 циклов (1 цикл: нагрев до 600°С^-охлаждение в 3%-ном №0): а - (Ni-Cr-Al-Y)++Zr++ZrN; б - (Ni-Al-Y)++Zr++ZrN; в - Zr++ZrN

а) б) в)

Рис. 7. Микроструктура (*500) титанового сплава ВТ8М-1 с эрозионно-коррозионностойкими покрытиями после испытаний на коррозионную стойкость в 3%-ном растворе N0 при 600°С, 20 циклов (1цикл: нагрев до 600°С, 1 ч^охлаждение в 3%-ном N0):

а - б - (Ni-Al-Y)++Zr++ZrN; в - Zr++ZrN

Результаты испытаний на относительный эрозионный износ покрытия Zr++ZrN на титановом сплаве ВТ8М-1 приведены в табл. 7.

Таблица 7

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 1

Zr++ZrN 0,3

20 Без покрытия 1

Zr++ZrN 0,15

По результатам исследований и испытаний была 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.

Таким образом, из широкой гаммы исследованных защитных покрытий предложена и определена конструкция эрозионно-коррозионностойкого ионно-плазменного покрытия на титановом сплаве ВТ8М-1, состоящая из внутреннего коррозионного слоя, полученного методом ионного модифицирования поверхности в плазме сплавов систем №-сг-л1^, и сплава на основе Zr, и внешнего эрозионностойкого слоя на

основе нитрида циркония.

По результатам проведенных металлографических, микрорентгеноспектраль-ных, рентгеноструктурных исследований и испытаний установлено, что многослойные покрытия обеспечивают защиту титанового сплава ВТ8М-1 в общеклиматических и всеклиматических условиях при температуре 450°С и кратковременных забросах в диапазоне температур 500-600°С при сохранении механических свойств.

Многослойные ионно-плазменные эрозионно-коррозионностойкие покрытия нового поколения позволят увеличить ресурс титановых лопаток компрессора ГТД, эксплуатируемых во всеклиматических условиях, с возможностью взлета и посадки на аэродромах с грунтовой взлетно-посадочной полосой.

ЛИТЕРАТУРА

1. 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 (посвященном 55-летию лаборатории «Титановые сплавы для конструкций самолетов и двигателей»).- М.: ВИАМ, 2007, с. 61-68.

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.