ЛОПАТКА КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫМ СТОЛБЧАТЫМ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫМ ПОКРЫТИЕМ НИТРИДА ТИТАНА

Повышение надежности и продление срока эксплуатации лопаток авиационных газотурбинных двигателей как новых, так и восстановленных, конвертируемых в газоперекачивающую отрасль - приоритетное направление современного турбостроения. Применение ионно-плазменной технологии нанесения защитных покрытий является одним из кардинальных путей решения данной задачи. Предлагаемые в данной заявке ионно-плазменные полифункциональные покрытия на основе нитрида титана рекомендуется использовать при ремонте лопаточного аппарата компрессоров газотурбинных двигателей газоперекачивающего и энергетического оборудования, а также при упрочнении рабочих поверхностей новых лопаток.
Увеличение сроков службы и ужесточение условий эксплуатации диктуют повышенные требования к служебным свойствам защитных покрытий, определяемым их фазовым составом, толщиной, микроструктурой, твердостью и адгезионной прочностью.
Полезная модель относится к турбостроению и может быть использована при изготовлении и восстановлении компрессорных лопаток (из коррозионно-стойких сталей 15Х13, 20Х13, ЭИ 961 и т.п.), работающих в условиях эрозионного воздействия воздушного потока, запыленности, влажности и повышенных температур (до 400°С), для надежной защиты лопаток от эрозионного износа и питтинговой коррозии с помощью полифункциональных столбчатых наноструктурированных покрытий нитрида титана.
Базовым условием обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик компрессорных лопаток, в частности, эрозионной стойкости и предела выносливости является модернизация их конструкции, заключающаяся в повышении адгезионной прочности связующих (подслоя и демпферного) слоев и улучшении качества рабочего слоя, образующих в целом градиентное покрытие, представляющее собой в настоящей заявке связующий подслой на поверхности пера лопатки с фазовым составом α-Ti, демпферный слой с фазовым составом (α-Ti+TiN) и рабочий слой на основе кубического нитрида титана (δ-TiN), полученные методом ионно-плазменного напыления (на установке ВУ-2МБС), за счет перехода формы кристаллитов от круглозеренной к столбчатой и уменьшения их диаметра до наноразмера в известной лопатке (см. патент РФ №63004, F04D 29/30, C23C 14/06, 14/48, 2006 на полезную модель «Компрессорная лопатка газотурбинного двигателя с защитным покрытием» [1], [2]), выбранной заявителем в качестве прототипа заявляемой лопатки.
Однако, эксплуатационная практика свидетельствует о недостаточно высокой надежности обеспечения коррозионной и эрозионной стойкости компрессорных лопаток при реновации авиационных газотурбинных двигателей (с назначенным ресурсом ~10000 часов) в газоперекачивающие агрегаты в связи с увеличением их срока службы в последующем ~ в 5 раз (назначенный ресурс ~50000 часов).
д
N
Технический результат заявляемой полезной модели - повышение надежности обеспечения стойкости к питтинговой коррозии и эрозионного износу компрессорных лопаток путем улучшения микроструктуры рабочего слоя покрытия TiN лопатки в результате создания термо- и газодинамических условий формирования столбчатых наноструктурированных кристаллов (с поперечным размером ~50-70 нм) в процессе ионно-плазменного напыления за счет снижения тока дуги I (с 160 А до 120-140 А) и парциального давления реакционного газа (азота) в рабочей камере P (с 0,06 Па до 0,04 Па).
µ
2
Для достижения указанного результата на поверхность перовой части лопатки методом ионно-плазменного напыления (на установке ВУ-2МБС) наносится полифункциональное покрытие на основе кубической фазы нитрида титана (δ-TiN) толщиной 3-5 мкм, сформированное на связующем подслое толщиной 0,5 мкм с фазовым составом α-Ti и демпферном слое толщиной 0,8 мкм с фазовым составом (α-Ti+TiN). При этом связующие слои имеют сферическую форму зерен микроструктуры, а рабочий слой имеет столбчатую форму зерен δ-TiN (с поперечным размером ~50-70 нм) и микротвердость в интервале Н=1200-1800 кг/мм.
+
д
N
N
В предлагаемом покрытии связующие слои сформированы на поверхности лопатки после ее предварительной бомбардировки ионами Ti (с энергией частиц ~1 кэВ в циклическом режиме: 5 сек - обработка +5 сек - пауза и т.д.), и все слои покрытия нанесены в одном технологическом цикле без разгерметизации вакуумной камеры. При этом рабочий нитридный слой на заявляемой лопатке сформирован ионно-пламенным напылением (при постоянном опорном напряжении 140 В) при пониженных значениях тока дуги I=120 А и 140 А и давлении реакционного газа - азота P=0,04 Па по сравнению с лопаткой-прототипом (ток дуги I=160 А, давление газа P=0.06 Па).
На фиг.1 показана схематически поперечная структура градиентного покрытия на модернизированной компрессорной лопатке. На фиг.2 показана круглозеренная микроструктура защитного покрытия на лопатке - прототипе. В примере выполнения заявляемой компрессорной лопатки материал ее пера - сталь ЭП 961, для формирования подслоя и покрытия используется катод из технического титана ВТ-1-0, для формирования покрытия используется газообразный азот.
На рис.3 и 4 показаны микроструктуры покрытия со столбчатой формой зерен TiN наноразмера заявляемой компрессорной лопатки, полученные при снижении тока дуги и парциального давления реакционного газа в камере по сравнению со стандартным режимом для лопатки-прототипа.
+
В результате четырехэтапного ионно-пламенного напыления (ионная очистка поверхности лопатки методом ионной бомбардировки Ti, нанесение связующего подслоя α-Ti толщиной ~0,5 мкм, нанесение демпферного слоя (α-Ti+TiN) толщиной ~0,8 мкм, нанесение рабочего слоя TiN) на установке ВУ-2МБС на поверхность заявляемой лопатки нанесено полифунциональное наноструктурированное покрытие нитрида титана со столбчатой формой зерен.
α
3
6
4
2
Использованы следующие методы исследования: фазовый состав - рентгеноструктурный анализ на дифрактометре «Дрон-3М» с применением Cu-K-излучения; микроструктура - электронный микроскоп VEGA/TESKAN; микротверость - на микротвердомере ПМТ-3 по ГОСТ 9450-76 [3] при нагрузке на индентор 0,5 Н; стойкость к питтинговой коррозии - выдержка образцов в 10%-ом растворе FeCl соответствии со стандартом ASTM G-48-76 [4]; предел выносливости - на усталостном стенде ВВ-4 (на базе 2·10циклов, при частоте f=390 Гц и напряжении 2,1·10 кг/мм при комнатной температуре) по ОСТ 100 870-77.
д
N
µ
2
Сравнение достигнутых характеристик материала полученного полифункционального покрытия заявляемой компрессорной лопатки с аналогичными характеристиками покрытия лопатки - прототипа, полученного ионно-плазменным методом на этой же установке ВУ-2МБС, но при более высоких значениях тока дуги (I=160 А) и парциального давления реакционного газа в камере (P=0,06 Па) (см. описание полезной модели к патенту РФ №63004), подтверждает улучшение микроструктуры материала покрытия заявляемой лопатки, повышающее ее коррозионную и эрозионную стойкость, надежность обеспечения которых в значительной мере определяется столбчатой наноструктурой зерен материала рабочего покрытия. Полученный материал рабочего слоя градиентного покрытия состоит из столбчатых зерен с поперечным размером 50-70 нм кубической фазы δ-TiN и имеет микротвердость в интервале Н=1200-1800 кг/мм (фиг.5).
a
Снижение тока дуги приводит к уменьшению параметра шероховатости R (фиг.6), повышению класса шероховатости и улучшению рельефа покрытия за счет снижения количества капельной фазы.
Ускоренные коррозионные испытания показали, что на лопатке без покрытия в коррозионной среде происходит растворение металла, приводящее к утонению лопатки (фиг.7). Нанесение покрытия приводит к избирательному травлению с образованием точечных питтингов (фиг.8). На заявляемой лопатке суммарная площадь очагов питтинговой коррозии меньше по сравнению с лопаткой - прототипом (фиг.9).
2
2
2
Так покрытие TiN компрессорной лопатки - прототипа с микроструктурой рабочего покрытия без стобчатости зерен, несмотря на улучшенные эксплуатационные характеристики (предел выносливости σ=44,8 кг/мм по сравнению σ=44 кг/мм для серийной лопатки без покрытия TiN - см. таблица 1), характеризуется состоянием, допускающим возможность резервного повышения эрозионной стойкости рабочей поверхности лопатки за счет увеличения микротвердости (фиг.5), снижения шероховатости поверхности (фиг.6) и дополнительного повышения предела выносливости заявляемой лопатки в целом (σ=46,2 кг/мм - см. таблица 1) при более низких затратах электроэнергии и расходных материалов используемого метода ионно-плазменного напыления (экономии расхода титанового катода и реакционного газа за счет снижения тока дуги и давления газа).
Таблица 1.
Предел выносливости восстановленных рабочих лопаток 5 ступени компрессора НК-12 до и после нанесения покрытия TiN
Вид лопатки
Ток дуги I<sub>д</sub>, А
Предел выносливости σ<sub>В</sub>, кг/мм<sup>2</sup>
Лопатка серийная без покрытия TiN
-
44
Лопатка - прототип с защитным покрытием TiN
160
44,8
Заявляемая лопатка со столбчатым покрытием TiN
140
46,2
Повышение коррозионной стойкости полифунционального покрытия и увеличение предела выносливости (табл.1) заявляемой модернизированной компрессорной лопатки создают запас надежности обеспечения этих характеристик, наиболее значимых для ее эксплуатационного ресурса, и расширяют область применения компрессорных лопаток с увеличенным (~1,8-2 раза) сроком службы при конвертации авиационных газотурбинных двигателей в газоперекачивающую отрасль.
Данное полифункциональное столбчатое наноструктурированное покрытие нитрида титана внедрено для продления срока службы новых лопаток компрессора авиационного газотурбинного двигателя НК-12 (фиг.10, 11), предназначенного в рамках программы конвертации для эксплуатации в составе газоперекачивающего агрегата.
ЛИТЕРАТУРА
1 - Тарасенко Ю.П., Царева И.Н., Мышляев Д.А, Фель Я.А., Тарасенко П.Ю. Патент РФ №63004 на полезную модель «Компрессорная лопатка газотурбинного двигателя с защитным покрытием», приоритет 26.04.2012.
2 - Тарасенко Ю.П., Царева И.Н. Антикоррозионная защита компрессорных лопаток газотурбинных двигателей газоперекачивающих агрегатов ионно-плазменными покрытиями нитрида титана / Компрессорная техника, №7, 2008, с.25-30.
3 - ГОСТ 9450-76 Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников.
4 - Структура и коррозия металлов и сплавов / Справочник под ред. Е.А.Ульянова, М.: Металлургия, 1989, 399 с.