ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 4, 2015
УДК 621.1
© 2015 г. Тарасенко Ю.П., Царева И.Н., Бердник О.Б., Фель Я.А., Кузьмин В.И.
ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ МЕТОДОМ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ, ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ГОРЯЧЕГО ТРАКТА ГТД
Институт проблем машиностроения РАН, г. Нижний Новгород
Приведены результаты исследований структуры, физико-механических свойств и жаростойкости теплозащитных покрытий системы "N1— Со—Сг—А1—У + ZrO2", полученных методом высокоэнергетического плазменного напыления на модифицированном оборудовании с использованием плазмотрона ПНК-50 оригинальной конструкции с линейной и кольцевой схемой ввода порошковой смеси. В результате оптимизации технологического процесса получены покрытия, имеющие следующие физико-механические характеристики: плотность (р = 7,6 г/см3), общая пористость П = 4,3%, открытая пористость По = 1%, твердость по Виккерсу (НУ= 980 кгс/мм2) и повышенную жаростойкость. Разработанное покрытие предназначено для защиты от высокотемпературной газовой коррозии и теплозащиты рабочей поверхности деталей горячего тракта газотурбинных двигателей.
Повышение надежности и ресурса деталей горячего тракта газотурбинных установок путем применения новых технологических решений является приоритетным направлением современного двигателестроения. Технология плазменного порошкового напыления теплозащитных покрытий является незаменимой при решении такой важной задачи энергетического машиностроения, как защита рабочей поверхности крупногабаритных деталей (турбинные лопатки, сопловые сегменты, жаровые трубы и т.п.), работающих в условиях воздействия горючих газов при высоких температурах (900-1200°).
Среди методов газотермического напыления по показателям "температура—скорость" метод плазменного порошкового напыления на воздухе занимает второе место после плазменного напыления в динамическом вакууме [1]. Он основан на использовании тепловой и кинетической энергии плазменной струи, генерируемой плазмотроном. Напыляемый материал в виде порошковой смеси вводится в плазменную струю, где он нагревается, ускоряется и, попадая на напыляемую поверхность, образует покрытие. Однако эксплуатационная практика свидетельствует о недостаточно высокой стойкости теплозащитных покрытий, формируемых при использовании стандартного плазменного оборудования типа УПУ-3Д. Тенденция развития современных плазмотронов состоит в увеличении эффективности процесса напыления за счет повышения их мощности (до 160—200 кВт) [1]. Нагрев частиц порошка вплоть до температуры плавления с одновременным их ускорением способствует уплотнению напыляемых слоев и повышает прочность их сцепления с подложкой.
Целью настоящей статьи являлась разработка высокоэнергетического плазменного метода напыления для улучшения эксплуатационных характеристик теплозащитных покрытий, полученных ранее по стандартной технологии [2, 3]. Были проведены ра-
боты по модификации метода на базе серийной установки "Киев-7" с использованием плазмотрона ПНК-50 усовершенствованной конструкции. Плазмотроны постоянного тока бывают с самоустанавливающейся и фиксированной длиной дуги [1]. Плазмотрон ПНК-50 относится ко второму типу. Данный плазмотрон может иметь линейную и кольцевую схемы ввода порошка и снабжен дополнительно секционированной межэлектродной вставкой. Газоразрядная камера плазмотрона представляет собой расширяющийся от катода к аноду канал, набранный из электрически изолированных друг от друга и от электродов секций межэлектродной вставки, которая не только фиксирует длину дугового разряда в канале плазмотрона, но и позволяет менять длину дуги, а соответственно, и рабочее напряжение за счёт варьирования количества секций вставки.
Основным недостатком стандартных установок, оснащенных плазмотронами с самоустанавливающейся длиной дуги, является наличие крупно- и мелкомасштабного шунтирования дуги, вызывающего формирование сильных пульсаций скорости (до 50%) и температуры (до 20%) в плазменной струе на срезе сопла, которые, в свою очередь, оказывают влияние на параметры частиц порошка [4]. В плазмотроне ПНК-50 с фиксацией длины дуги межэлектродными вставками пульсации, вызванные перемещениями дуги вдоль канала по аноду, малы по величине для всех режимов работы [5].
В результате термо- и газодинамической интенсификации процесса плазменного напыления в плазмотроне ПНК-50 формируется сфокусированная плазменная струя с высокими значениями тепловой и кинетической энергии. Регулируя силу тока электрической дуги, расход плазмообразующего и защитного газов, можно изменять мощность, температуру и скорость плазменной струи.
Методика исследований. Объектами исследований являлись: 1) порошковая смесь марки ЦрОИ-7 дисперсностью (40/90) и ~40 мкм; 2) теплозащитное покрытие на основе диоксида циркония, сформированное из порошковой смеси ЦрОИ-7 (40/90) (на интерметаллидном подслое системы "Ni-Co-Cr-Al-Y" из порошка марки ПНХ20К20Ю13-1) методом высокоэнергетического плазменного напыления с линейной схемой ввода порошка в плазменную струю; 3) теплозащитное покрытие на основе диоксида циркония, сформированное из порошковой смеси ЦрОИ-7 дисперсностью 40 мкм (на интерметаллидном подслое системы "Ni—Co—Cr—Al—Y" из порошковой смеси ПНХ20К20Ю13-1) методом высокоэнергетического плазменного напыления с кольцевой схемой ввода порошка в плазменную струю. В качестве подложки использовались образцы жаропрочного никелевого сплава ЖС6Ф.
Дериватографические исследования порошковой смеси выполнены на деривато-графе NETZSCH STA 449F1. Фазовый состав порошковой смеси и покрытий исследовали методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре "Дрон-3М" с применением Cu-Кд-излучения в геометрии по Бреггу-Брентано. Металлографические исследования проводили на растровом электронном микроскопе "VEGA//TESCAN". Плотность и пористость покрытия определяли методом гидростатического взвешивания на аналитических весах VIBRA по ГОСТ 18898-89. Измерения твердости по Вик-керсу проводили на ультразвуковом твердомере ПМТ-3 при нагрузке на индентор 1 Н по ГОСТ 9450-76.
Испытания на термоусталость проведены в ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова" на установке с высокочастотным генератором ВЧГ4-10/0,44 при максимальной температуре в цикле 1050° на лопатках без покрытия и с разработанным теплозащитным покрытием. Испытания на термоусталость проводились при высокочастотном разогреве на частоте 0,44 МГц со средней скоростью разогрева 80...100°С/сек, близкой к условиям эксплуатации турбинных лопаток. Термоциклическую долговечность определяли по моменту растрескивания покрытия в наиболее термонапряженной зоне. Методика определения эффективности теплозащиты предусматривала пропускание через трубчатый литой образец из жаропрочного материала факела пламени от горения углеводородного топлива. Образец состоял из двух продольных половинок. На внутреннюю
Соединение Оксид циркония Оксид иттрия Двуокись кремния Двуокись титана Оксид алюминия Оксид железа
Мас. % Осн. 7,0 0,1 0,1 0,05 0,04
поверхность одной половинки было нанесено исследуемое покрытие, другая половинка была оставлена без покрытия. На наружной поверхности к обеим половинкам образца напротив друг друга были приварены термопары, с помощью которых измерялась температура незащищенной и защищенной покрытием половинок модели. По результатам экспериментов оценивалось реальное снижение температуры металла после нанесения на его поверхность покрытия (эффективность теплозащиты).
Результаты исследований. Теплозащитное покрытие должно обладать комплексом свойств, обеспечивающих их надежность: высокой стойкостью против больших тепловых нагрузок, хорошей адгезией к подложке, малой газопроницаемостью, близким к основному материалу коэффициентом термического расширения.
В настоящее время для получения теплозащитных покрытий используют в основном оксид циркония /г02—(6—9%)у203, стабилизированный оксидом иттрия, который обладает высокой жаростойкостью, низкой теплопроводностью и химической инертностью. При разработке теплозащитного покрытия методом высокоэнергетического плазменного напыления была выбрана порошковая смесь марки ЦрОИ-7 с разной дисперсностью частиц (40/90 и 40 мкм), химический состав которой приведен в табл. 1. Данную смесь изготавливают из /г02 с добавкой смеси оксидов иттрия, кремния и титана, обеспечивающих повышение высокотемпературной прочности. Фазовый состав порошка представляет собой диоксид циркония /г02 с тетрагональным типом кристаллической решетки и небольшим количеством остаточной моноклинной фазы (табл. 2).
В данной работе проведены комплексные исследования теплозащитного покрытия, полученного модифицированным методом по технологическому режиму напыления: напряжение дуги 220 В, ток дуги 190 А, расход плазмообразующего газа (воздух) Рв = 1,5 г/с, расход транспортирующего газа (аргон) РАг = 0,15 г/с. При указанных технологических параметрах на подслое толщиной ~100 мкм с интерметаллидным фазовым составом (N1, Ме)А1 + (N1, Ме)3А1 формируется покрытие /г02 толщиной ~150 мкм.
Методом рентгеноструктурного анализа установлен фазовый состав керамического покрытия (табл. 2), представляющий собой сочетание тетрагональной и кубической фаз диоксида циркония с преобладанием первой. Дериватографический анализ показал, что данное фазовое превращение происходит при температуре ~840°. В соответствии с диаграммой фазовых состояний "/г02—у203" [6] для массовой доли оксида иттрия 7% обнаруженное двухфазное состояние реализуется в интервале температур от 500 до 2000°. Поэтому результат установленного фазового превращения обусловлен термическим воздействием плазменного потока в процессе высокоэнергетического плазменного напыления.
Использование плазмотрона усовершенствованной конструкции повышает эффективность нагрева порошковой смеси при прохождении через плазменный поток, способствуя оплавлению граней частиц порошка и их сфероидизации (рис. 1). При использовании кольцевой схемы ввода эффект сфероидизации выражен сильнее по сравнению с линейной схемой за счет увеличения времени нахождения порошковой смеси в плазм
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.