Качалин Г.В., кандидат технических наук, старший научный сотрудник
Медников А.Ф., кандидат технических наук, старший научный сотрудник
(Национальный исследовательский университет «МЭИ»)
О ФОРМИРОВАНИИ ЖАРОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА ДЕТАЛЯХ И УЗЛАХ ГАЗОВЫХ ТРАКТОВ АВИАЦИОННОЙ И КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
Рассматриваются перспективы использования вакуумных ионно-плазменных методов для формирования жаростойких покрытий на деталях газовых трактов авиационной и космической техники. Анализируются результаты исследований жаростойких покрытий. Описываются принципы формирования нанокомпозитных жаростойких покрытий на оборудовании «НИУ «МЭИ». Показаны перспективы технологий формирования универсальных защитных покрытий, имеющих нанослойную структуру с толщиной одного слоя менее 100 нм.
Ключевые слова: газотурбинная техника, газовая коррозия, жаростойкие покрытия.
ON THE FORMATION OF HEAT-RESISTANT COATINGS ON GAS PATH PARTS AND COMPONENTS OF AVIATION AND SPACE TECHNICS
The prospects for the use of vacuum ion-plasma methods for the formation of heat-resistant coatings on the gas paths details of aviation and space technics were considered. The research results of heat-resistant coatings were analyzed. The principles of formation of heat-resistant nanocomposite coatings on the «NIU «MPEI» equipment were described. The prospects of universal technology for forming the coatings, having nanolayer structure with one layer thickness of less than 100 nm, were shown.
Keywords: gas turbine technic, gas corrosion, heat-resistant coatings.
Введение
Металлы - основные конструкционные материалы для изделий авиационной и ракетно-космической техники, их масса в массе сухих изделий составляет более 90 %. Поэтому совершенствование тактико-технических характеристик таких изделий во многом определяется свойствами применяемых сплавов.
Известно, что одним из наиболее напряженных узлов современных энергетических установок авиационной и космической техники является газовая турбина. На современном этапе их развития температура газа перед турбиной достигает 2000 К. Это является основной причиной увеличения напряженности деталей газовых трактов, снижая их долговечность. В процессе эксплуатации при повышенной температуре газа интенсивно разрушаются поверхностные слои вследствие как газовой коррозии, так и термических и механических циклических нагрузок.
Основные требования к материалам для лопаток газовых турбин обусловлены непрерывным повышением жаропрочности, пластичности, сопротивления термической и малоцикловой усталости, стойкости к воздействию газовой среды. Материалы должны обладать высокой сопротивляемостью разрушению при термической и малоцикловой усталости, которые, как следует из [1], являются в настоящее время основными причинами разрушения.
Используемые конструкционные материалы должны выдерживать высокие температуры, механические нагрузки, иметь высокую коррозионную и эрозионную стойкость, что в совокупности может обеспечить приемлемый ресурс.
Повышение прочности металлических материалов традиционными методами (увеличением содержания легирующих элементов, улучшением технологий термомеханического уп-
рочнения и т.д.) к настоящему времени исчерпало свои возможности. Современные сплавы содержат большое количество дорогостоящих и редких металлов: кобальта, вольфрама, ниобия, молибдена, никеля и др., что резко повышает их стоимость. Кроме того, значительное увеличение количества легирующих элементов в сплавах может приводить, как следствие, к анизотропии свойств заготовок и деталей из них.
Если применение новых, более жаропрочных сплавов решает проблему увеличения сопротивляемости деформациям и разрушению лопаток при действии высоких температур и напряжений, то для надежной защиты от химического разрушения поверхностей под действием газовой коррозии требуется не менее надежные и долговечные, чем применяемые сплавы, жаростойкие защитные покрытия.
Поиски новых высокотемпературных покрытий связаны, прежде всего, с оптимизацией химического состава новых композиций, с разработкой и освоением новых технологических процессов, основанных на использовании принципиально новых физических эффектов, а также с применением новых способов усовершенствования структуры и свойств как известных, так и вновь создаваемых покрытий. Поэтому развитие газотурбинной техники наряду с необходимостью постоянного повышения эксплуатационных свойств жаропрочных сплавов требует новых технологий формирования защитных и упрочняющих покрытий.
В настоящее время защитные свойства покрытий улучшают за счет введения в их составы все большего количества химических элементов. Многочисленные исследования показали, что основными тенденциями совершенствования металлических защитных покрытий для лопаток газотурбинных двигателей также являются:
- переход от однослойных к двух- и многослойным защитным покрытиям, т.к. покрытие должно обладать комплексом защитных свойств - противоэрозионных, противокоррозионных и трибологических;
- применение в защитном покрытии диффузионного барьера, т.к. основным механизмом исчерпания защитных свойств жаростойких покрытий при высоких температурах являются диффузионные процессы между покрытием и подложкой.
Большой резерв в повышении свойств конструкций авиационной и ракетно-космической техники лежит в использовании керамических соединений. Физико-механические свойства керамики по сравнению со всеми видами применяемых в настоящее время металлов имеют такие отличительные характеристики, как более высокую температуру плавления и твердость, более высокую износостойкость, коррозийную стойкость, стойкость к воздействию химикатов и т.д. Главным препятствием дешевой высокоточной обработки деталей из конструкционной керамики (КК) является её высокая твердость и хрупкость. Выходом из такого положения может стать применение КК в виде покрытий на рабочих поверхностях изделий из традиционных материалов. Применительно к деталям и узлам газовых трактов авиационной и космической техники - использование покрытий из КК, относящихся к жаростойким материалам.
В этой связи перспективным направлением развития являются нанотехнологии. Согласно [2], к наноиндустрии относят исследования и технологические разработки на атомном, молекулярном или макромолекулярном уровне в диапазоне размеров 1-100 нм. В области защитных покрытий развитие нанотехнологий [3] идет двумя путями: формирование нанокомпо-зитных (отдельные зерна покрытия имеют нанометровые габариты по трем измерениям) и нанослойных (толщина каждого слоя лежит в диапазоне наноразмеров) структур.
В качестве материалов, сохраняющих жаропрочность и жаростойкость при температурах в 800-1100°С, в газотурбостроении широко применяют хромникелевые сплавы.
Для защиты лопаточного аппарата газовых турбин от высокотемпературного окисления и сульфидной коррозии наиболее часто применяют покрытия на основе М-Сг-Л1-У или Р1;-Л1 (где М - это N1, Со или Бе) [1].
По способу формирования покрытия, применяемые для защиты лопаток турбин от газовой коррозии, целесообразно разбить на две условные группы [1]. К первой - относятся покрытия, при использовании которых изменяется состав поверхностного слоя материала путем диффузионного его насыщения различными элементами. Вторая группа объединяет конденсационные покрытия. В таких покрытиях на границе раздела покрытие - сплав-основа химический состав меняется скачкообразно. Среди конденсационных способов для защиты лопаток газовых турбин чаще всего используют способ газоплазменного нанесения покрытия и электронно-лучевого нанесения покрытий в вакууме [1]. Вакуумные технологические процессы имеют существенные технологические преимущества:
• простота управления параметрами технологического процесса, поскольку, изменяя величину тока и ускоряющего напряжения можно в широких пределах регулировать скорость протекания процесса;
• возможность реализации в едином технологическом цикле различных операций -очистки поверхности, насыщение поверхности различными элементами, нанесение покрытий и др.;
• высокая чистота проведения процесса, т. к. в вакууме обрабатываемое изделие не подвергается воздействию посторонних веществ;
• возможность контроля за ходом процесса, что позволяет создать эффективную систему автоматического управления и увеличить выход годных изделий.
Среди ионно-плазменных способов формирования покрытий в вакууме для промышленного внедрения наиболее перспективны способы дугового и магнетронного распыления, как обладающие широким набором технологических преимуществ.
При применении ионно-плазменных способов для формирования жаростойких покрытий их толщина должна быть оптимальной, т.к. при относительно большой толщине ухудшается адгезия покрытия к поверхности изделия, а при малой толщине применение покрытия не дает желаемого увеличения коррозионной и эрозионной стойкости. Возникает оптимизационная задача соблюдения обоих условий, что предопределяет соответствующие требования и к способу, и к технологическим параметрам процесса формирования таких покрытий.
Поэтому возрастают требования к защитным покрытиям, которые должны не только защищать материал лопатки от высокотемпературного окисления, но и препятствовать появлению и развитию трещин в покрытии и поверхностных слоях лопатки.
Для удовлетворения современных технических и экономических требований к деталям газовых трактов авиационной и космической техники в отечественной и зарубежной практике применяют сплавы на основе никеля, хрома и кобальта, часть которых представлена в таблице 1.
Для исследований особенностей формирования защитных жаростойких покрытий в качестве материалов экспериментальных образцов были выбраны: хромникелевый сплав ХН68ВМТЮК (ЭП-693), применяемый как конструкционный материал для двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин, реактивных двигателей; хромникелевый сплав ХН70Ю (ЭИ 652) применяемый для производства деталей форсажных камер сгорания турбореативных двигателей, предназначенных для временного увеличения тяги, а также камер сгорания.
Таблица 1
Отечественные и зарубежные жаропрочные сплавы, применяемые
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.