УДК 629.7.023:621.438
обеспечение качества поверхности рабочих лопаток турбины при нанесении защитных диффузионных покрытий
© Орлов Михаил Романович, д-р техн. наук; Оспенникова Ольга Геннадиевна, канд. техн. наук; Карачевцев Федор Николаевич, канд. хим. наук
ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов». Россия, Москва. E-mail: kara4ev@mail.ru
Статья поступила 30.10.2012 г.
Методами РЭМ и РСМА исследованы технологические дефекты защитных диффузионных покрытий рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и установлено, что причиной образования дефектов покрытий на проточной поверхности пера является внедрение в поверхность жаропрочного сплава частиц корунда в процессе пневмоабразивной обработки поверхности лопаток. Причиной образования дефектов покрытий на внутренних поверхностях охлаждаемых каналов является выполнение процесса газоциркуляционного хромоалитирования в окислительной атмосфере и выщелачивание карбидов из жаропрочного сплава при удалении керамических стержней из отливок лопаток. Показано, что технология гидротермического автоклавного выщелачивания в защитной атмосфере аргона позволяет удалять внедренные частицы корунда с проточной поверхности пера лопаток и обеспечивает подготовку поверхности внутренних охлаждаемых каналов для получения качественных защитных диффузионных покрытий.
Ключевые слова: рабочие лопатки турбины; защитные диффузионные покрытия; автоклавное выщелачивание; термохимическая обработка в расплаве бифторидов щелочных металлов.
Способность рабочих лопаток турбины высокого давления (ТВД) противостоять темпе-ратурно-силовому воздействию газового потока и центробежных нагрузок, а также высокотемпературному окислению и коррозии определяет ресурс безопасной эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) [1]. Защиту лопаток от окисления и коррозионного повреждения обеспечивают диффузионные покрытия, наносимые по различным технологиям как на проточную поверхность пера лопаток, так и на внутренние поверхности охлаждаемых каналов [2].
В настоящее время в серийном производстве ГТД широкое применение находят зарекомендовавшие себя технологии шликерного алитирова-ния и алюмосилицирования сопловых лопаток ТВД, а также ионно-плазменного нанесения защитных диффузионных покрытий на проточную поверхность рабочих лопаток ТВД [3, 4]. Для защиты внутренних поверхностей охлаждаемых каналов турбинных лопаток применяют методы порошкового и газоциркуляционного алитирова-ния и хромоалитирования [5-7].
Контроль качества диффузионных защитных покрытий на соответствие техническим требованиям по толщине, составу и структуре осуществляется методом оптической металлографии, а также методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и рентгеноспектрального микроанализа
(РСМА) на одной из лопаток от партии-садки. Используемые в производстве методы контроля не позволяют выявлять отдельные точечные дефекты в покрытиях, которые могут явиться началом высокотемпературного окисления, сульфидной коррозии или термоусталостного разрушения жаропрочного никелевого сплава [8-10]. Качество диффузионных защитных покрытий должно обеспечиваться совершенством и стабильностью технологии его нанесения, включая этап подготовки проточной поверхности пера и внутренних поверхностей охлаждаемых каналов.
Анализ технологических дефектов защитных диффузионных покрытий, выявленных после работы лопаток в составе ГТД. Капиллярный люминесцентный контроль лопаток ТВД после эксплуатации и стендовых испытаний двигателей выявляет технологические дефекты, пропущенные в производстве и получившие развитие в процессе длительного нагрева в окислительной среде газового потока. К таким технологическим дефектам следует отнести участки с несформировав-шимся диффузионным покрытием и отдельные ^ точечные дефекты, образовавшиеся в результате попадания на поверхность пера неметаллических ^ частиц при подготовке поверхности и при нанесении защитных диффузионных покрытий.
Определена структура защитного диффузи- 5 онного алюмосилицидного покрытия, полученно- г
Таблица 1. Результаты анализа состава защитного покрытия в зоне дефекта на рис. 1 (мас. %)
№ зоны О А1 Т1 Сг Со N1 № Мо
1 55,1 42,7 0,3 0,9 0,4 0,6 0,0 0,0 0,0
2 25,8 23,6 2,4 5,7 4,3 31,9 0,0 0,7 5,3
3 0,0 18,8 0,6 4,5 7,1 60,2 0,0 0,7 7,6
4 0,0 17,8 0,8 6,0 7,4 58,6 0,0 1,3 8,3
5 0,0 17,9 0,9 3,9 6,8 62,1 0,6 1,4 6,1
6 0,0 18,2 1,7 4,0 8,2 64,8 0,0 0,0 2,6
7 0,0 7,5 4,9 11,9 9,3 40,6 3,7 2,2 19,5
8 0,0 3,5 2,2 7,7 8,7 65,7 0,9 1,7 9,1
Рис. 1. Дефект в защитном алюмосилицидном шликерном покрытии сопловой лопатки ТВД из сплава ЖС6У-ВИ после наработки в эксплуатации 885 ч. Стрелками указаны зоны анализа состава методом РСМА
го по шликерной технологии, в сечении дефекта, выявленного при капиллярном люминесцентном контроле (рис. 1). Результаты анализа состава покрытия в зоне дефекта, полученные методом РСМА, представлены в табл. 1.
Результаты исследований дефекта диффузионного покрытия показывают, что в его основании находится частица оксида алюминия (корунда), которая препятствовала развитию диффузионных процессов на проточной поверхности пера лопатки в процессе диффузионного отжига. Присутствие частиц корунда на поверхности пера обусловлено их внедрением в жаропрочный сплав при пневмоабразивной обработке, являющейся неотъемлемой операцией подготовки поверхности для нанесения покрытия, на глубину около 10 - 30 мкм (рис. 2, а).
На операции диффузионного отжига частицы абразива создают экранирующий эффект для взаимной диффузии алюминия в жаропрочный сплав и компонентов жаропрочного сплава в осаженный на поверхность алюминий, в результате чего в зоне расположения абразивной частицы формируется кратер, не защищенный диффузионным покрытием (рис. 2, б).
В результате исследований установлено технологическое происхождение дефекта в защитном диффузионном покрытии на проточной поверхности пера рабочих и сопловых лопаток ГТД.
Повышение эксплуатационных характеристик монокристаллических рабочих лопаток ТВД охлаждаемой конструкции в настоящее время обеспечивается нанесением комбинированных
защитных диффузионных покрытий, состоящих из покрытия, полученного методом газоциркуляционного хромоалитирования (ГЦХА), применяемого для защиты внутренних поверхностей охлаждаемых каналов, и ионно-плазменного по-
Рис. 2. Внедрение абразивных частиц А1203 в проточную поверхность монокристаллической рабочей лопатки ТВД из сплава ЖС26-ВИ и образование дефекта в диффузионном защитном покрытии, х2000: а - поверхность после операции пневмоабразивной обработки; б - поверхность после нанесения ионно-плазменного покрытия ВСДП-11
1
8
а
б
1 2 3 4 5 6
Таблица 2. Результаты анализа состава защитного покрытия в зоне дефекта на рис. 3 (мас. %)
№ зоны O Al ТС V & Fe N1 № Mo W
1 0,0 1,4 0,1 0,3 6,1 14,3 9,0 62,1 0,1 0,3 5,9
2 1,1 9,4 0,9 0,9 5,9 12,5 7,0 55,1 0,6 0,8 6,3
3 29,8 34,3 1,2 0,4 2,5 5,0 2,9 20,8 0,4 0,1 2,7
4 7,3 24,7 1,3 1,0 5,3 8,4 5,1 37,7 1,3 0,8 7,2
5 0,0 3,0 0,9 1,0 6,2 10,2 8,4 56,9 0,8 0,8 11,7
6 0,0 4,5 0,9 0,9 4,8 1,1 9,0 63,9 1,3 1,0 12,6
Рис. 3. Дефект в защитном ГЦХА-покрытии рабочей лопатки ТВД из сплава ЖС26-ВИ. Стрелками указаны зоны анализа состава методом РСМА, х2000
крытия, применяемого для защиты проточной поверхности пера.
Опыт отработки технологии нанесения защитных диффузионных покрытий на рабочие лопатки ТВД и результаты исследований предельного износа покрытий в процессе длительной эксплуатации определили следующую последовательность нанесения покрытий: сначала наносится ГЦХА-покрытие на внутренние поверхности охлаждаемых каналов и проточную поверхность пера, затем на проточную поверхность пера осаждается ионно-плазменное покрытие. Такая технология получения двухслойного защитного покрытия требует тщательной подготовки поверхности как перед нанесением
ГЦХА
ГЦХА-покрытия, так и перед нанесением ионно-плазменного покрытия.
Исследование состояния защитного диффузионного покрытия на рабочих монокристаллических лопатках ТВД из сплава ЖС26-ВИ после стендовых испытаний в составе ГТД, остановленного по причине обрыва пера одной из лопаток, показало следующее. В процессе осаждения ГЦХА-покрытия произошло насыщение внутренней поверхности охлаждаемых каналов железом до 14 мас. % и окисление жаропрочного сплава, сопровождавшееся формированием оксида алюминия А1203 пластинчатой формы (рис. 3, табл. 2). Вероятными причинами образования дефектного покрытия являются окислительная атмосфера в установке для осаждения ГЦХА-покрытия и использование нержавеющей стали (источник железа) в качестве материала оснастки.
Образование дефектного ГЦХА-покрытия препятствует формированию второго слоя защитного диффузионного покрытия ВСДП-11, получаемого по технологии ионно-плазменного осаждения.
Рис. 4. Изгиб фронта диффузионной зоны ионно-плазменного покрытия ВСДП-11 (отмеченного стрелками) в месте удаления дефектного газоциркуляционного покрытия на проточной поверхности рабочей лопатки ТВД
Местное удаление поврежденного газоциркуляционного слоя на поверхности пера лопатки механическим способом позволило сформировать на механически обработанных участках пера качественное однослойное покрытие ВСДП-11 (рис. 4).
Наиболее опасными с точки зрения развития усталостных и термоусталостных трещин в пере охлаждаемых лопаток являются технологические дефекты на недоступных для неразрушающего контроля внутренних поверхностях охлаждаемых каналов.
Исследование всего комплекта рабочих лопаток ТВД двигателя, снятого со стендовых испытаний по причине обрыва пера одной из лопаток, позволило обнаружить термоусталостные трещины на внутренней поверхности охлаждаемых каналов в зонах действия высоких градиентов температур и высоких центробежных нагрузок. Характерной особенностью участков с термоусталостными трещинами является не-сформировавшееся ГЦХА-покрытие на внутренней поверхности каналов, а также поверхностная микропористость жаропрочного сплава, образовавшаяся в результате выщелачивания карбидов на операции гидротермического автоклавного удаления керамических стержн
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.