Защитное покрытие TiZrN в авиадвигателестроении

УДК 621.793

К. А. Корсунов, Е. А. Ашихмина

ЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ Т^М В АВИАДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИИ

В статье освещены испытания по эрозионной и коррозионной стойкости покрытия Л2гЫ для лопаток компрессора (титановый сплав ВТ-8). Обговорены условия применимости данного покрытия по полученным результатам исследований.

Постановка проблемы и ее альтернативное решение

Одной из важнейших задач совершенствования вертолетных двигателей является повышение надежности и ресурса их работы. Надежность и ресурс двигателей непосредственно определяют безопасность полетов и экономическую эффективность эксплуатации, что зависит от многих факторов. Известно, что главными причинами повреждаемости деталей двигателей являются исчерпание запасов длительной и малоцикловой прочности, усталость, износ, и, особенно, коррозия и эрозия.

Так, во время работы вертолетного двигателя в тропическом (или морском) климате и на песочных почвах, поверхностный слой лопаток интенсивно разрушается, лопатки подвергаются коррозионным и эрозионным воздействиям. Согласно статистическим данным, эрозионные повреждения лопаток компрессора наблюдаются на входной и выходной кромках пера, причем, повреждения находятся в верхней части пера, т.е. на 2/3 поверхности от верхней части пера. Коррозионные повреждения могут быть в любом месте пера лопатки, как в верхней части пера лопатки, так и в прикомлевой.

Степень и характер эрозионного износа компрессорных лопаток зависят от дисперсного состава и количества пыли, засасываемой в двигатель. Характер же запыленности воздуха на входе в компрессор зависит от многих факторов, в том числе и от скорости потока несущего винта [1]. Соответственно, чем больше засасываемой пыли, тем быстрее будет происходить эрозионный износ лопаток. По мере продвижения вдоль компрессора частицы пыли дробятся и сепарируются к периферий-

ным сечениям лопаток, почему и обнаруживаются при дефектации лопаток эрозионные повреждения в верхней части пера.

Согласно проведенному статистическому анализу по Актам о забраковании деталей с вертолетных двигателей, в процессе ремонта забраковывается по эрозионному износу большой процент лопаток (см. табл. 1), не имеющих защитных покрытий, что, в свою очередь, повышает стоимость ремонтных работ.

Поскольку материал лопаток - сравнительно мягкий титановый сплав, подверженный эрозии, а лопатки - одни из дорогостоящих деталей двигателя и при большом количестве забракованных лопаток соответственно стоимость ремонта повышается, то было решено наносить на лопатки защитное покрытие. Причем, покрытие для лопаток компрессора должно удовлетворять следующим эксплуатационным требованиям:

- высокие эрозионная и коррозионная стойкости;

- жаростойкость до +400 °С;

- тонкое (толщина до 20 мкм), чтобы не увеличивать массу лопатки.

Широко известно давно применяемое покрытие из ИЫ, которое наносится в вакууме плазменно-ионным конденсационным напылением. Такое покрытие используют в инструментальном производстве для увеличения срока службы режущего и другого инструмента и повышения его эрозионного износа при работе, как декоративное износостойкие покрытие при изготовлении предметов быта, а также и в авиационной отрасли. Однако, покрытие из ИЫ, имея достаточно высокую эрозионную стойкость (0,019-0,028 г/мин [2]) и микротвердость

^^^^^^^ Ступень ^^^^^^^ компрессора Деталь ^^^^^^^ 1 2 3 4 5

Рабочая лопатка компрессора (титановый сплав ВТ-8) 51% 30% 25% 22% 20%

Таблица 1 - Процент забракования лопаток компрессора при ремонте

© К. А. Корсунов, Е. А. Ашихмина, 2007

- 11Ц-

(21,2-27,4 ГПа [2]), работает всего лишь до температур +350 °С и обладает низкой коррозионной стойкостью (1 балл по пятибалльной шкале [3]). Чтобы повысить коррозионную стойкость и рабочие температуры покрытия, в материал покрытия при его напылении было решено ввести цирконий. Цирконий имеет исключительную коррозионную стойкость во многих агрессивных средах, причем, коррозионная стойкость циркония в щелочах выше, чем тантала, титана и нержавеющей стали. Высока инертность циркония в агрессивных средах и при различных температурах. Цирконий устойчив в воде и водяных парах до +300 °С, при его добавлении в стали и сплавы коррозионная стойкость материала повышается в несколько раз.

В процессе экспериментов покрытие из ИЕгЫ (нитрида титана-циркония) наносилось на установке " Булат-6" на рабочие лопатки компрессора (титановый сплав ВТ-8). Покрытие из ШгЫ получилось желтовато-золотистого цвета (см. рис. 1).

Для определения эрозионной и коррозионной стойкости покрытия были проведены испытания согласно существующим методикам.

Испытания на эрозионную стойкость покрытия ИЕгИ

Для этого были отобраны лопатки компрессора без покрытия и с покрытием ШгЫ, взвешены с точностью до 10-4 г на аналитических весах. Лопатки

ли потерю массы (рис. 2). Скорость эрозии покрытия ШгЫ составляет 0,0121 г/мин, что гораздо меньше значения скорости эрозии покрытия ИЫ.

Из графика на рис. 2 видно, что по истечении 5 минут обдувки потеря массы лопатки без покрытия составляет 0,85 %, тогда как потеря массы лопатки с покрытием ШгЫ всего лишь 0,2 %. А через 25 минут обдувки потеря массы лопатки без покрытия уже достигает 4,2 %, а лопатки с покрытием ИЕгЫ - 0,8 %.

Рис. 1. Покрытие из ТСгЫ, нанесенное на лопатки компрессора вертолетного двигателя в вакууме плазменно-ионным методом

с покрытием и без него одновременно обдували сжатым воздухом с кварцевым песком, при этом давление воздуха составляло 4105 Па, диаметр сопла 20 мм, размер частиц основной фракции песка 0,14-0,21 мм, угол обдува к поверхности 20-30 °. По истечении каждых 5 минут обдувки лопатки взвешивали на аналитических весах и определя-

Рис. 2. График зависимости потери массы лопаток от времени обдува при эрозионных испытаниях

Испытания на коррозионную стойкость покрытия ИЕгИ

Лопатки с покрытием ИЕгЫ подвергали периодическим нагревам до 400 оС с охлаждающим воздействием коррозионно-активной среды (5 %-й солевой раствор), имитирующей условия работы в морском (тропическом) климате. Количество периодических циклов было принято равным 100. Во время проведения испытания наблюдался рост солевых отложений в виде белых пятен (занимаемая площадь составляла 2 % от общей, см. рис. 3), которые легко счищались заостренной деревянной палочкой. Других видов коррозии не наблюдалось. Следовательно, оценка коррозионных поражений (солевых отложений) по 10-ти балльной шкале из методики оценки соответствует 6 баллам, оценка коррозионных поражений (окислообразных) соответствует 10 баллам согласно той же литературе [4].

- 0219яшВестникя)вигателестроенияя1 1/т007 - 111 -

а б

Рис. 3. Коррозионно-солевые отложения на лопатках компрессора:

а - лопатка после 50 циклов испытания (никаких признаков коррозии не обнаружено);

б - лопатка после 100 циклов испытания

Измерение микротвердости и определение жаростойкости покрытия

Как показали проведенные измерения микротвердости покрытия ШгЫ на приборе ПМТ-3 покрытие имеет высокую микротвердость - 34,02 ГПа. Известно, что нанопокрытие на основе сложных нитридов титана с микротвердостью не менее 22 ГПа считается качественным с сохранением своих свойств [5]. Лопатки компрессора с покрытием Т12гЫ отжигали в течение трех часов при различных температурах.

Таблица 2 - Микротвердость покрытия Т12гЫ

Температура, оС 25 300 400 500

Микротвердость, ГПа 34,02 32,51 25,08 24,19

Из таблицы 2 видно, что микротвердость покрытия ШгЫ с увеличением температуры отжига уменьшается, что вероятнее всего происходит из-за разупрочнения слоя покрытия Т12гЫ и диффузии частиц покрытия в мягкий материал лопатки компрессора (титановый сплав ВТ-8). Согласно вышеизложенному, покрытие Т12гЫ должно работать без существенных изменений своих свойств при темпе-

ратурах до +500 °С.

Выводы

Для защиты лопаток компрессора (титановый сплав ВТ-8) было выбрано и нанесено с помощью установки " Булат-6" покрытие Т12гЫ желтовато-золотистого цвета. Данное покрытие было испытано на коррозионную, эрозионную и жаростойкость, а также определена его микротвердость. Полученные результаты исследования показывают, что, применяя покрытие Т12гЫ на лопатках компрессора, можно увеличить их эрозионную стойкость в 45 раз, а, следовательно, и срок службы как минимум в 1,5-2 раза, это позволит лопаткам работать без замены более одного межремонтного ресурса (500 ч).

Покрытие имеет очень высокую коррозионную стойкость к морской воде и его применение возможно в различных климатических условиях при рабочих температурах до +400 °С.

По жаростойкости покрытие Т12гЫ превосходит покрытие из Т1Ы, и полученные данные позволяют эксплуатировать детали с Т12гЫ при рабочих температурах до +500 °С. Покрытие из Т12гЫ может использоваться в авиационной и других промыш-ленностях.

Перечень ссылок

1. Алексеев В.К., Волкова Л.Ф., Гликсон И.Л., Лукьянов В.С. Распределение пылевых частиц в проточной части компрессора //Авиационная промышленность. - 1989. - №7. - С. 2425.

2. Кабалдин Ю.Г. Структура прочности и износостойкость композиционных инструментальных материалов. - Владивосток: Дальнаука, 1996.

- 183 с.

3. Душкин А.М., Прощин А.Б., Иванов Е.Г. Защитные покрытия для стальных лопаток компрессора ГТД //Авиационная промышленность.

- 1988. - №7. - С. 13-15.

4. ГОСТ 9.311-87. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Метод оценки коррозионных поражений. - Введ. 01.07.88. -М.: Изд-во стандартов, 1987. - 10 с.

5. Табаков В.П. Работоспособность инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбонитридов титана. Улья -новск: УлГТУ, 1998. - 123 с.

Поступила в редакцию 05.03.2007

Стаття осв1чуе випробування з ероз1йно!' та короз1йно!' тривкост1 покриття TiZrN для лопаток компресору (титановий сплав ВТ-8), а також умови застосування даного покриття зг1дно з отриманими результатами випробувань.

The article has presented the results of erosive and corrosive tests an resistance of TiZrN coating on compressor blades (titanium alloy BT-8). Conditions for adaptability of this coating as per results of the research have been discussed.