ο
Истираемое уплотнительное покрытие (рабочая температура до 450С)
ABRADABLE SEALING COATING (OPERATING TEMPERATURE UP TO 450°C)

Изобретение относится к области получения уплотнительных прирабатываемых покрытий, применяющихся в компрессоре газотурбинного двигателя (ГТД), работающих при температуре до 450°С в условиях воздействия воздушного и газового потоков.
Повышение коэффициента полезного действия современных ГТД может быть реализовано за счет снижения удельного расхода топлива. Одним из основных направлений решения этой задачи является повышение эффективности уплотнений проточной части ГТД, обеспечивающих минимальный зазор между торцами лопаток и рабочими кольцами.
Одним из основных требований, предъявляемых к уплотнительным материалам, является их истираемость, которая может быть представлена как соотношение износов уплотнительного материала и деталей ротора при их контактном взаимодействии. Как показывает практика, эффективная работа уплотнений обеспечивается при значении указанного соотношения не менее 4:1 - 5:1. Кроме того, материал не должен выкрашиваться и выдуваться, так как наличие в зоне трения продуктов износа, особенно частиц большого размера, нарушает эффективность уплотнения и вследствие разрушения ими границ и поверхности канавок трения приводит к дополнительному износу и забиванию каналов охлаждения.
Однако наличие хорошей истираемости материала трудно сочетать с его высокой эрозионной стойкостью, необходимой для надежной работы в высокоскоростных газовых потоках. Эта характеристика, наряду с истираемостью определяемая прочностными свойствами материала, должна быть достаточно высокой, чтобы гарантировать работу двигателя в течение заданного ресурса. Поэтому в качестве истираемого уплотнительного материала выбирается такой материал, который имеет наилучшую истираемость при сохранении эрозионной стойкости, необходимой для его сохранения в течение ресурса работы ГТД.
В компрессоре ГТД в настоящее время для получения истираемых уплотнений чаще всего используются механические смеси порошков металлов с твердыми смазками (графит, гексагональный нитрид бора и др.), которые напыляются в виде покрытий или спекаются в виде вставок или применяются металлические материалы с высокой пористостью.
В большинстве случаев основой прирабатываемых уплотнительных материалов с рабочими температурами до 450°С являются композиционные порошки на основе Al, Ni либо Cu с различным содержанием графита и/или нитрида бора в качестве твердой смазки.
Наиболее распространенным типом уплотнений компрессоров ГТД с рабочими температурами до 450-500°С являются материалы на основе алюминия и нитрида бора, получаемые механическим смешиванием компонентов с последующим получением гранул на органическом связующем, предназначенных для плазменного напыления (R. Rajendran Gas turbine coatings - An overview // Engineering Failure Analysis December 2012. Vol.26. page 355-369).
Известно уплотнительное покрытие марки АНБ на основе нитрида бора и алюминия и ряд его модификаций, отличающихся различным содержанием нитрида бора и содержанием в качестве дополнительного компонента графита (Легкосрабатываемые материалы для радиального уплотнения компрессора ГТД // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: труды МНТК / Самара, гос. Аэрокосм. Ун-т им. СП, Королева; гл. ред. Е.В. Шахматов. 2003 г. Самара, СГАУ ч. 1, страницы 38-41). Покрытие АНБ предназначено для применения в надроторных уплотнениях ГТД общеклиматического назначения при температуре до 450°С. Технология получения материала АНБ состоит из приготовления шихты методом механического смешивания порошков алюминия и нитрида бора с жидким стеклом с последующей сушкой и получением гранул, содержащих до 23% нитрида бора и 4-8% двуокиси кремния. Перед напылением гранул для повышения адгезионной прочности на отпескоструенную поверхность деталей плазменным напылением наносится подслой из сплава системы никель-алюминий и фазоупрочненных частиц тугоплавких металлов. В качестве плазмообразующей среды используют смесь аргона с азотом или аргона с водородом. Напыленное покрытие марки АНБ содержит до 15% (по массе) нитрида бора. (Авиационные материалы: справочник в 12-ти томах. 7- е изд., перераб. и доп./ под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: ВИАМ, 2013, страница 224).
Несмотря на ряд достоинств, считающееся одним из наиболее эффективных плазменных покрытий покрытие АНБ обладает существенными недостатками, к которым в первую очередь следует отнести отслаивание и выкрашивание покрытия на статорных деталях, работающих в условиях значительных деформационных и вибрационных нагрузок. Кроме того, эксплуатация материала АНБ в двигателях часто сопровождается наволакиванием алюминия на детали ротора. Также к недостаткам следует отнести нестабильность свойств покрытия.
Аналогом уплотнительного материала АНБ системы Al-NB-Si является материал фирмы Metco марки Metco 320NS, который получают плазменным напылением гранул из алюминия и нитрида бора на органическом связующем. Гранулы содержат до 20% нитрида бора и 8% кремния. (Thermal Spray Materials Guide - April 2015, Oerlikon Metco, page 9).
Материал характеризуется хорошей истираемостью, сочетающейся с эрозионной стойкостью, но имеет общие с материалом АНБ недостатки.
Известен ряд уплотнительных материалов фирмы Metco системы Al-Si-С, получаемых плазменным напылением гранул из алюминия и графита на органическом связующем, содержащих от 22% до 45% графита - материалы Metco 310NS, Metco 311 NS, Metco 313 NS (Thermal Spray Materials Guide - April 2015, Oerlikon Metco, page 9).
Покрытия обладают удовлетворительной истираемостью и эрозионной стойкостью, но обладают недостатками, которые характерны для истираемых покрытий, получаемых плазменным напылением порошковых композиций, представляющих собой механическую смесь металлических и неметаллических компонентов - содержание последних в покрытии в процессе его использования снижается по сравнению с исходными композициями примерно на 60%. Это объясняется окислением в воздушной атмосфере и недостаточной когезионной прочностью частиц твердых смазок. Кроме того, значительное различие в плотности порошков вызывает заметную сегрегацию компонентов в плазменной струе. Данные обстоятельства не позволяют получить высокие значения истираемости покрытия.
Известен антифрикционный литой композиционный материал (АЛК), содержащий до 45% по массе твердой смазки из гексагонального нитрида бора в алюминиевой матрице, изготавливаемый методом вакуумно-компрессионной пропитки шихты, содержащей твердую смазку, расплавом алюминия. Из материала изготавливают кольцевые детали уплотнений или получают композиционный порошок для нанесения на статорные детали методом плазменного напыления (А.А. Живушкин, Е.А. Козлова, И.А. Чубуков, А.Ю. Марова. Особенности применения композиционного материала «алюминий-нитрид бора» в авиационных двигателях // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. №3 (19), 2009, страницы 235-239).
Композиционный материал АЛК отличается высокой прирабатываемостью поверхностного слоя, низкой плотностью и значениями коэффициентов термического расширения (КТР), сравнимыми со значениями КТР других деталей. Но имеются и слабые стороны композита - склонность к повреждаемости при ударных воздействиях в силу низкой пластичности такого материала, а также склонность к отвердению даже при кратковременных забросах температур свыше расчетных, что приводит к потере антифрикционных свойств и отслаиванию в случае с покрытиями.
Известны истираемые уплотнительные материалы на рабочие температуры до 480°С, получаемые методом плазменного напыления порошков графита с никелевой оболочкой. Это материалы марок Metco 307NS, Metco 307NS-2, Metco 307NS-3, Metco 308NS, Metco 308NS-1, Metco 308NS-3, Metco 309NS-3, Durabrade 2211ZB, Durabrade 2221, Durabrade 2222, Durabrade 2223, Durabrade 2241, разработанные фирмой Oerlikon Metco и компанией Durabrade. Никель-графитовые материалы с содержанием никеля 75 масс. % (Metco 307NS, Metco 307NS-2, Metco 307NS-3) применяются для нанесения прирабатываемых покрытий с высокой истираемостью, материалы с содержанием никеля 85 масс. %, такие как Metco 308NS, используются, когда требуется более высокая стойкость покрытия к эрозии, однако повышенная стойкость к эрозии связана с уменьшением истираемости, что делает их непригодными для работы в паре с лопатками из титановых сплавов. (Thermal Spray Materials Guide - April 2015, Oerlikon Metco, page 10).
Недостатками данного ряда покрытий является не оптимальное сочетание их истираемости и эрозионной стойкости и сильная зависимость эксплуатационных характеристик от параметров плазменного напыления.
Известно, что никелированный порошок графита может применяться и как один из компонентов при получении прирабатываемых покрытий. Известно покрытие, состоящее из двух слоев композиционных материалов. Первый слой такого покрытия имеет пористую структуру и включает частицы твердой смазки с металлическим покрытием, частично сплавленные между собой. Второй слой состоит из композиционного порошка на основе алюминия. Для нанесения данного покрытия может применяться любой метод нанесения покрытий, обеспечивающий получение пористого покрытия. Автором отмечается, что содержание твердой смазки - графита в составе покрытия оказывает сильное влияние на прирабатываемость покрытия (US 7732058 В2, 08.06.2010).
Недостатком данного покрытия является необходимость нанесения второго слоя композиционного порошка алюминия, что усложняет процесс формирования покрытия и также приводит к сильному увеличению эрозионной стойкости, что отрицательно сказывается на истираемости покрытия.
Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является покрытие НПГ-75 на основе никеля с наполнителем в виде графита. Покрытие наносится плазменным методом с применением порошка графита, плакированного никелем, на подслой из сплава системы Ni-Al. Применение для плазменного напыления плакированного порошка позволяет получить уплотнительный материал, содержащий до 50% (объемн.) твердой смазки, которая должна обеспечивать высокую истираемость покрытия (Д.П. Фарафонов, В.П. Мигунов, А.А. Сараев, Н.Е. Лещев. Истираемость и эрозионная стойкость уплотнительных материалов проточной части ГТД. Труды ВИАМ №8 (68), 2018, страница 75, абзац 4).
Недостатками данного истираемого уплотнительного материала является его недостаточная эрозионная стойкость (около 200 усл. ед.), сильно зависящая от технологических параметров напыления, и низкий коэффициент использования порошка, из-за пластинчато-чешуйчатой формы частиц природного графита и большого разброса их по размеру.
Задачей настоящего изобретения является разработка состава прирабатываемого покрытия с рабочей температурой до 450°С для нанесения на статор компрессора газотурбинного двигателя с рабочими лопатками из жаропрочных сплавов.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение прочности и эрозионной (газоабразивной) стойкости покрытия при сохранении его истираемости, а также обеспечение возможности нанесения покрытия большей толщины (до 5 мм).
Заявленный технический результат достигается за счет того, что предложено истираемое уплотнительное покрытие для компрессора газотурбинного двигателя, полученное методом плазменного напыления порошковой смеси, содержащей порошок никеля и никелированного графита, при этом оно содержит от 78 до 88 масс. % частиц никеля и от 12 до 22 масс. % частиц гранулированного графита, соотношение длины к толщине которых находится в диапазоне от 4:1 до 1:1, причем порошок никелированного графита для получения покрытия имеет размер 30-200 мкм.
Покрытие может содержать подслой из сплава на основе системы Ni-Al.
Порошок никелированного графита может быть получен методом химического или электролитического никелирования гранулированного графита.
Наиболее предпочтительным вариантом гранулированного графита является природный графит.
Содержание гранулированного графита может уменьшаться в объеме покрытия по направлению к поверхности покрытия.
Более сферическая форма частиц при соотношении длины к толщине в пределах от 4:1 до 1:1 обеспечивает более равномерное распределение твердой смазки в покрытии и однородность его структуры, что, в свою очередь, повышает прочность, эрозионную стойкость покрытия и твердость при сохранении его высокой истираемости.
Также было установлено, что частицы с заявленным соотношением длины к толщине обладают лучшими технологическими свойствами: равномерно подаются в плазменную струю из дозаторов и свободно перемещаются с газовым потоком, что повышает коэффициент использования порошка при плазменном напылении.
За счет высокой однородности структуры покрытия, формирующейся при использовании частиц указанной формы при заявленном содержании графита в покрытии, обеспечивается возможность получения покрытий с большей толщиной рабочего слоя (до 5 мм) при сохранении высокого уровня истираемости и эрозионной стойкости.
Специально подобранное содержание графита и никеля в основном слое обеспечивает требуемые значения истираемости (соотношение износов предлагаемого уплотнительного покрытия и деталей ротора при их контактном взаимодействии находится в диапазоне от 4:1 до 5:1), требуемые значения эрозионной стойкости не менее 297 усл. ед. и твердости покрытия не менее 16,8 HBW. При меньшем содержании графита покрытие не обладает хорошей истираемостью, при большем содержании - прочность покрытия резко снижается, что не позволяет использовать их в качестве истираемых уплотнений в условиях высокоскоростного потока воздуха в компрессоре.
Порошок никелированного графита должен иметь размер в диапазоне 30-200 мкм для обеспечения однородности, технологичности покрытия и повышения коэффициента использования порошка. Основная масса частиц порошка размером менее 30 мкм при проведении процесса плазменного напыления в вихревом потоке плазменной струи не доносится до подложки, а частицы, долетевшие до подложки, ухудшают однородность покрытия за счет меньшего количества углерода, содержащегося в них. При напылении частиц размером более 200 мкм происходит резкое падение коэффициента использования порошка за счет того, что они затрудняют образование покрытия на подложке вследствие большого количества углерода в своем составе.
Никелированный порошок графита может быть получен электролитическим осаждением никеля на порошок графита, при котором в электролите горизонтально размещают титановый катод с нанесенным на него порошком графита, и никелевый анод, либо химическим осаждением никеля на гранулах графита, при котором в результате автокаталитической реакции происходящей в растворе ацетата никеля, протекающей преимущественно на металлизируемой поверхности, на поверхности порошка графита образуется слой никеля.
В составе покрытия предпочтительно использовать порошок природного графита, например, марок П и ГАК-2, поскольку за счет наличия большого количества дефектов в их структуре они легче поддаются сдвиговому воздействию, что положительно сказывается на антифрикционных свойствах (Т.А. Болсуновская, И.Ю. Ефимочкин, Н.В. Севастьянов, Н.П. Бурковская. Влияние марки графита в качестве твердой смазки на триботехнические свойства металлического композиционного материала. Труды ВИАМ №7 (67), 2018, страница 67, абзац 1).
Авторами заявленного изобретения установлено, что прирабатываемые покрытия, полученные плазменным напылением никелированных порошков графита марок П и ГАК-2 заданного фракционного состава и формы с подслоем из сплава системы Ni-Al обладают высокой термостойкостью при температуре 450°С (по 100 циклов нагрев-охлаждение 450↔20°С без разрушений и отслаиваний покрытий от подложки), оптимальным сочетанием газоабразивной стойкости и истираемости и могут работать в паре с лопатками из жаропрочных сталей и титановых сплавов.
Для дополнительного повышения эрозионной стойкости при сохранении хорошей истираемости по мере напыления покрытия содержание в нем графита можно снижать путем использования порошков никелированного графита с большим содержанием никеля, что приводит к уменьшению содержания графита от поверхности подложки к поверхности самого покрытия.
Примеры осуществления.
Для получения прирабатываемого покрытия на основе композиционных порошков никелированного гранулированного графита применялись композиционные порошки, полученные методом химического никелирования гранулированного графита марок П и ГАК-2 с фракционным составом 30-100 мкм и 60-200 мкм (для примеров 1-3) и полученные методом электролитического никелирования
гранулированного графита марок П и ГАК-2 с фракционным составом 30-100 мкм и 60-200 мкм (для примеров 4- 5).
Для получения никелированного графита использовали порошок гранулированного графита с соотношением длины к толщине частиц от 4:1 до 1:1. Указанные гранулы получали смешиванием мелкодисперсных частиц графита со связующим веществом с последующим прессованием брикетов, сушкой, дроблением в порошок и классификацией по размеру частиц.
Полученную шихту сушили в термошкафу при температуре не ниже 100°С не менее 1 часа. Титановые подложки пескоструили, после чего на установке газоплазменного напыления наносили на них подслой многокомпонентного жаростойкого никелевого сплава на основе системы Ni-Al марки ВКНА (для примеров 1-5) или марки ПГ-Ю10Н, поверх которого наносили слой прирабатываемого (рабочего) покрытия.
В таблице представлены характеристики шихты для плазменного напыления, составы покрытий и результаты сравнительных испытаний образцов с предлагаемым покрытием и покрытием-прототипом марки НПГ-75 на эрозионную (газоабразивную) стойкость, врезание на высокоскоростной машине трения в паре с имитаторами лопаток из титанового сплава ВТ8-1 и твердость.
Газоабразивную стойкость определяли измерением потери массы исследуемого образца при обдувании его скоростным потоком воздуха, содержащим твердые частицы (электрокорунд с величиной частиц 100-125 мкм).
За эрозионную стойкость материала принимается отношение объема истраченного абразива (частиц электрокорунда) к объему унесенного им испытываемого материала:
a
3
V - объем истраченного абразива, см;
m
3
γ - плотность испытываемого материала, г/см;
Δm - потеря массы испытываемого образца, г.
Испытания проводили на образцах в виде пластин размером не менее 10×10 мм, на поверхность которых через сопло лабораторной установки подавался сжатый воздух при давлении 0,45 МПа с абразивным материалом. Расход абразива составлял 5 см3 на одно испытание, угол атаки - 30°.
Сравнительные испытания на врезание проводились на смонтированной на базе испытательной машины трения ИМ-58 лабораторной высокоскоростной установке при торцевом трении подвижного (контртело из сплава ВТ8-1, либо ВТ8М-1) и неподвижного (образцы с прирабатываемыми покрытиями).
По результатам испытаний, представленным в таблице, видно, что заявляемое покрытие обладает высокой истираемостью - на уровне или выше покрытия-прототипа марки НПГ-75, при этом превосходит его по стойкости к газоабразивному износу в 1,5-3,5 раза и твердости в 1,5-4 раза. Данный уровень свойств позволяет покрытию эффективно работать в паре с лопатками не только из жаропрочных сталей, но также и из титановых сплавов, не вызывая их критического перегрева при врезании.