ЛОПАТКА ТУРБИНЫ ИЗ БЕЗУГЛЕРОДИСТОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА С ПОКРЫТИЕМ

Полезная модель относится к газотурбостроению, более конкретно к турбинным лопаткам из безуглеродистых жаропрочных никелевых сплавов с покрытиями, защищающими лопатки от газовой коррозии в условиях высоких температур (выше 900°С), и может быть использована в авиадвигателестроении, судостроении, танкостроении и других отраслях промышленности, где используют газотурбинные двигатели.
К безуглеродистым жаропрочным никелевым сплавам относят сплавы с содержанием углерода не более 0,05% (А.В. Логунов Тенденции разработки и применения Ni - суперсплавов для лопаток ГТД в современных и перспективных силовых установках авиационного назначения // Технологии легких сплавов, №4, 2011, 11-17 с.).
С одной стороны, использование данных сплавов для турбинных лопаток позволяет повысить температуру рабочего газа перед турбиной и, как следствие, снизить удельную массу двигателя и удельный расход топлива при одновременном увеличении удельной тяги, а с другой стороны, особенности элементного состава безуглеродистых жаропрочных сплавов на никелевой основе приводят при действии высоких температур (выше 900°С) к формированию в поверхностном слое детали под покрытием на основе алюминия, так называемой вторичной реакционной зоны (ВРЗ), содержащей ТПУ-фазы и снижающей характеристики жаропрочности сплавов и долговечности изготавливаемых из них деталей. В связи с этим, на поверхности таких деталей (изделий) формируют барьерные покрытия, снижающие интенсивность образования ВРЗ (С.А. Мубояджян и др. Высокотемпературные жаростойкие покрытия и жаростойкие слои для теплозащитных покрытий. Авиационные материалы и технологии №1, 2013, 17-20 с.)
Известна охлаждаемая турбинная лопатка из безуглеродистого никелевого сплава, содержащая перо с защитным жаростойким покрытием на поверхности ее внутренней полости, при этом покрытие имеет два слоя - жаростойкий слой на основе NiAl (β-фаза) и внутренний слой на основе карбидов (см. патент RU №2349678, Кл. С23С 10/48, опубл. 20.03.2009).
Несмотря на то, что известная лопатка имеет покрытие, позволяющее эффективно защитить от высокотемпературного окисления ее внутреннюю полость, отсутствие защиты ее внешней поверхности не позволяет обеспечить необходимую долговечность лопаток во время работы двигателя.
Технический результат заявленной полезной модели - повышение долговечности лопаток турбины.
Указанный технический результат достигается тем, что в лопатке турбины из безуглеродистого никелевого сплава с покрытием, содержащей перо с покрытием из внешнего, выполненного на основе алюминия, и внутреннего слоев, и замок, согласно полезной модели, покрытие выполнено на наружной поверхности пера, при этом внутренний слой покрытия выполнен на основе никеля с карбидами легирующих элементов, образующих барьерный слой между покрытием и поверхностью пера.
Указанная совокупность является существенной, так как никель, как основа покрытия, выбран с целью обеспечения формирования слоя тугоплавких алюминидов никеля, обеспечивающих покрытие запасом алюминия, достаточным для надежной защиты изделия от высокотемпературного окисления в течение заданного ресурса, а карбиды легирующих элементов покрытия позволяют тормозить взаимную диффузию элементов сплава и покрытия, что предотвращает, тем самым, образование ВРЗ в защищаемом сплаве, содержащей охрупчивающие ТПУ-фазы.
В качестве лопатки может быть выбрана рабочая лопатка с бандажной полкой, при этом бандажная полка содержит такое же покрытие, как и перо, что позволяет дополнительно повысить долговечность.
В качестве лопатки может быть выбрана сопловая лопатка.
На фиг. 1 схематично изображена рабочая лопатка турбины с покрытием;
на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1.
Лопатка содержит перо 1 и замок 2. Внешняя поверхность пера 1 содержит покрытие, состоящее из внешнего слоя 3 и внутреннего слоя 4.
Лопатка, например, может быть отлита из сплава, содержащего, мас.%; хром 6,1; кобальт 7,4; молибден 0,8; вольфрам 12; алюминий 5,1; титан 1,8; ниобий 1,1; углерод 0,006, никель - остальное до 100%.
Внутренний слой 4 покрытия выполнен на основе никеля, и имеет, например, следующий состав, мас %.: хром 20,3; вольфрам 8,4; тантал 6,2; алюминий 10,8; углерод 0,34; гафний 2,1; кобальт 9,5; кремний 2,4; иттрий 3,0; никель - остальное до 100%. Данный слой может быть нанесен, например, методом вакуумно-плазменной технологии (напылением).
Внутренний слой, выполненный на основе никеля Ni, может иметь и состав, отличный от указанного, в зависимости от области применения и условий эксплуатации турбинных лопаток. Внутренний слой должен иметь основу Ni и легирующие элементы, которые могут образовывать карбиды.
Например, внутренний слой может иметь следующий состав, мас. %: Ni - основа; Cr 20-22; Al 10-13; Y 0,5-1,0; С 0,3-0,6.
Или состав, мас.%: Ni - основа; С 0,1-0,5; Cr 8-10; Та 1,5-2,5; Al 6-8; W 1,5-2,5; Co 7,0-9,0; Се не более 0,025.
Или состав, мас.%: Ni - основа; С 0,1-0,3; Cr 12-14; Та 3-5; Re 3-5; Al 6-8; W 0,5-1,0; Co 7,0-9,0; Се не более 0,025.
3
2
После, например, алитирования лопатки с внутренним слоем 4 газовым методом в среде хлоридов AlCl, AlCl, AlCl получают комбинированное покрытие из двух слоев: внешнего слоя 3 и внутреннего слоя 4.
При этом внешний слой 3 на основе алюминия можно получать не только алитированием, но и другими известными методами: шликерным методом, конденсацией сплава, хромоалитированием.
При работе авиационного газотурбинного двигателя при температуре газа перед турбиной 1100°С, предложенное защитное покрытие позволяет лопатке выдержать данную температуру в течение установленного ресурса. При этом не происходит разрушение лопатки из-за повреждения (например, скола) покрытия в течение всего заданного времени эксплуатации.
Испытаниями на долговечность при температуре 1100°С установлено, что образцы с предложенным покрытием за 800 ч не имели разупрочняющей ВРЗ под покрытием.