ЛОПАТКА ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ЖАРОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ

Полезная модель относится к энергетическому и авиационному турбиностроению и может быть использована при изготовлении и восстановлении турбинных лопаток, работающих в условиях воздействия рабочих газов и высоких температур, для защиты этих лопаток от высокотемпературной газовой коррозии с помощью жаростойких покрытий.
2
2
3
Наиболее распространенной в эксплуатации в указанных условиях конструкцией турбинной лопатки, выполненной из жаропрочного никелевого сплава, является перо лопатки с нанесенным на его поверхности защитным покрытием на основе адгезионного (связующего) подслоя и рабочего слоя, выполняющего защитную функцию, например многокомпонентного металлического (CoCrAlY) подслоя и керамического (ZrO·12YO) слоя (см. книгу Никитина В.И. Коррозия и защита лопаток газовых турбин. Л., «Машиностроение», 1987, с.6, 209).
При этом основной проблемой реализации такой конструкции турбинной лопатки в отношении оптимального сочетания технологичности изготовления и эксплуатационных качеств лопатки является производственная задача выбора метода нанесения защитного покрытия и материала связующего подслоя и рабочего слоя защитного покрытия.
Так уровень техники в области нанесения жаростойких покрытий турбинных лопаток характеризуется традиционными методами газо- и вакуумно-плазменных и электронно-лучевых напылений, а также методом диффузионного алитирования поверхности лопаток (см. указанную книгу Никитина В.И., с.201-209).
Основными недостатками этих методов являются невысокая технологичность методов вакуумно-плазменного и электроннолучевого напыления и недостаточно высокая производственная эффективность применяемого оборудования.
2
2
3
2
3
При этом недостаточно высокая эффективность выигрышного технологически газо-плазменного напыления на воздухе таких известных материалов, как сплавы на основе никеля и кобальта, в том числе типа Me-Cr-Al-Y, алюминиды, силициды, карбиды, оксиды ZrO-YO(MgO), AlO, выражается в сопутствующих пористости и низкой адгезии покрытия с подложкой, снижающих ресурс жаростойкого покрытия (см. книгу Гецова Л.Б. Материалы и прочность деталей газовых турбин. М., «Недра», 1996, с.335-337).
2
2
3
2
2
3
Известна турбинная лопатка (см. патент РФ №2272089, С23С 28/00, 2006), жаростойкое покрытие которой конструктивно решено формированием (на первом этапе) хромоалитированного слоя на всей поверхности пера лопатки - жаростойкого покрытия, переходящего в результате дополнительного электронно-лучевого напыления (на втором этапе) на входные кромки лопатки слоя керамики ZrO-8YO и последующего отжига в слой со структурой ZrO-8YO-β+y' на этих участках лопатки.
Данный аналог также имеет недостаточно высокую технологичность изготовления турбинной лопатки в связи с комбинированным характером жаростойкого покрытия, для получения которого предусмотрены хромоалитирование в вакууме в порошковой смеси с последующей термовакуумной обработкой на первом этапе и изложенные операции на втором этапе. Кроме того, отжиг на втором этапе способствует увеличению образования y'-фазы.
Другие известные аналоги турбинной лопатки с защитным покрытием (см. например, патенты РФ №2078148, С23С 14/06, С23С 14/56, 1997; №2349679, С23С 14/30, С23С 10/56, С23С 28/00, 2009) представляют собой технические решения лопаток с нанесенными многослойными жаропрочными покрытиями, свойства которых хоть и присутствуют в эксплуатационных качествах керамического покрытия, но выходят за рамки решаемой технической задачи в заявляемой полезной модели.
Заявителем выбран допускаемый вариант оформления настоящей заявки на полезную модель без прототипа в связи с отсутствием доступного аналога турбинной лопатки с жаростойким покрытием, близкого по технической сущности для корректного сравнения решения обеспечения жаростойкости турбинной лопатки с точки зрения выбора оптимального сочетания конструкции лопатки с покрытием (включая конструктивный состав покрытия), материала и методов нанесения слоев покрытия.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в выигрышном сочетании эксплуатационно надежного двухслойного жаростойкого покрытия на основе повышающего адгезию покрытия никельсодержащего связующего подслоя с фазовым составом - никель-алюминиевой (β+y')-фазой с пониженным содержанием y'-фазы (в связи с исключением после нанесения слоя указанного связующего отжига) и рабочего керамического слоя диоксида циркония, стабилизированного окисью иттрия, с улучшенным технологичным газо-плазменным поочередным напылением обоих слоев на воздухе.
При этом предлагаемая турбинная лопатка характеризуется подобранным экспериментально материалом и режимом нанесения указанного связующего подслоя, позволяющем обеспечить повышенный ресурс лопатки более плотный газо-плазменный связующий подслой с меньшей общей пористостью.
Для достижения указанного технического результата предлагается лопатка турбины газотурбинного двигателя с жаростойким покрытием, содержащая перо со связующим подслоем на его поверхности, имеющим фазовый состав на основе интерметаллидной никель-алюминиевой (β+y')-фазы и рабочим керамическим слоем на основе диоксида циркония, характеризующаяся тем, что связующий подслой сформирован для уменьшения образования в нем y'-фазы газо-плазменным напылением на воздухе на поверхность пера порошковой смеси на основе интерметаллидной никель-алюминиевой β-фазы без последующего отжига, а рабочий керамический слой на основе диоксида циркония нанесен на указанный связующий подслой также путем газо-плазменного напыления на воздухе.
В частном случае выполнения жаростойкое покрытие предлагаемой лопатки состоит из связующего подслоя на основе интерметаллидной никель-алюминиевой (β+y')-фазы при содержании y'-фазы ~20%, толщиной 80-120 мкм и рабочего керамического слоя на основе диоксида циркония, стабилизированного окисью иттрия, толщиной 100-150 мкм.
При этом указанный связующий подслой сформирован газоплазменным напылением на воздухе на поверхность пера порошковой смеси марки ПНХ20К20Ю13-1 с дисперсностью ~80 мкм при токе дуги 450 А, дистанции напыления 80 мм и расходе газа 30 л/мин.
В примере выполнения заявляемой лопатки турбины высокого давления из никелевого сплава In 738 на перо методом газоплазменного напыления на воздухе порошковой смеси марки ПНХ20К20Ю13-1 (ТУ 14-22-11-88) исходной дисперсностью 100 и 80 мкм с помощью установки УПУ-3Д наносился связующий подслой толщиной 80-120 мкм.
3
3
3
α
Указанная порошковая смесь в состоянии поставки (состав: Ni - основа, Al ~ 14%, Cr ~ 19%, Со ~ 22%, элементы стабилизаторы ~ 1%) имела однофазный состав: интерметаллид β-NiAl, а связующий подслой - фазовый состав: β-NiAl+y'-NiAl(20%) - после напыления и фазовый состав: β-NiAl+y'-NiAl(27%) после отжига при 750°С в течение 4,5 ч. и β-NiAl+y'-NiAl(40%) после отжига при 800°С в течение 4,5 ч. (рентгеновский анализ выполнен на дифрактометре «Дрон-3М» - съемка по Брэггу-Брентано, Cu-K-излучение).
3
Уменьшение дисперсности исходной порошковой смеси марки ПНХ20К20Ю13-1 со 100 до 80 мкм и менее позволило уменьшить пористость подслоя связующего с ~13,6% до ~6,8%, получаемого газоплазменным напылением на воздухе (без отжига) такой смеси, при достижении плотности подслоя ~7940 кг/м и микротвердости поверхности подслоя ~3460 МПа (определение пористости проведено методом гидростатического взвешивания по ГОСТ 18989-89, измерение микротвердости - с помощью микротвердомера ПМТ-3 на поперечных шлифах при нагрузке на индентор 0,5 и 2 Н по ГОСТ 9450-76).
Указанные характеристики получены в результате экспериментального подбора оптимального режима газо-плазменного напыления на воздухе: при токе дуги ~450 А, дистанции напыления ~80 мм и расходе газа ~30 л/мин.
2
2
3
На нанесенный связующий подслой на указанной же установке УПУ-3Д методом газо-плазменного напыления на воздухе порошковой смеси с дисперсностью ~90 мкм диоксида циркония с окисью иттрия (состав: ZrO-8YO) наносился рабочий керамический слой толщиной 100-150 мкм.
Применение полученного жаростойкого покрытия обеспечило повышение ресурса лопатки турбины газотурбинного двигателя ~1,8 раза.