Тонкопленочные покрытия для уплотнительных истираемых материалов на основе дискретных волокон для проточного тракта ГТД

В ВИАМ созданы принципиально новые уплотнительные истираемые материалы (УИМ), состоящие из дискретных металлических волокон систем: Ni-Cr-Al, Ni-Cr-Al-Y, Fe(Ni)-Cr-Al-Y, на рабочие температуры компрессора и турбины ГТД – от 700 до 900°С. Достоинством разработанных уплотнительных материалов являются: низкая плотность (≤1,8 г/см³), высокая пористость (65-90%), высокая эрозионная стойкость (³1100 ед.) и очень высокая истираемость (10:1), что обеспечивает снижение износа лопаток компрессоров в 2-3 раза и снижение массы уплотнительного материала до 5 раз [1–5].

В работах [6-18] показано, что эксплуатационные характеристики уплотнительных волокнистых металлических материалов могут существенно повышаться, если на поверхность волокон нанести специальное покрытие, которое модифицирует поверхность волокон и одновременно защищает его от воздействия высоких температур. Применение этих покрытий можно рассматривать как способ повышения термопрочностных и конструкционных характеристик волокнистых металлических материалов.

Цель данной работы состояла в исследовании возможности повышения рабочей температуры уплотнительных пористых волокнистых материалов на основе металлических волокон системы Fe(Ni)–Cr–Al–Y до 1100°С благодаря применению жаростойких тонкопленочных покрытий с повышенной фазовой стабильностью при высоких температурах, состоящих из наноразмерных частиц оксида, карбида и нитрида кремния, получаемых в результате пиролитического разложения керамообразующих полимеров.

С учетом небольших размеров дискретных металлических волокон для уплотнительных материалов (диаметр волокна: 30 мкм, длина – до 5 мм), одним из основных требований к разрабатываемым покрытиям является создание наноразмерных тонких бездефектных пленок, которые равномерно распределяются по всей поверхности волокна и обладают высокой смачивающей способностью и сцеплением с волокном (рис. 1).

Рисунок 1. Микроструктура уплотнительного истираемого материала (УИМ)

Главная задача исследования состояла в разработке состава покрытия и технологии для синтеза многокомпонентных аморфных систем высокой степени однородности и чистоты, а также для получения пространственно организованных структур нанометровых размеров, что позволит обеспечить разрабатываемым тонкопленочным покрытиям уникальный комплекс физико-химических и механических свойств. Реализация поставленной задачи стала возможной путем выбора типа кремнийорганического полимера, модифицирующих наполнителей и режимов их термообработки с целью получения максимального выхода керамического остатка – не менее 75%. Это позволило получить ультратонкий защитный слой покрытия, состоящего из наноразмерных частиц карбида, нитрида и оксида кремния, с минимальной пористостью. Ультратонкие защитные слои покрытий повышают жаростойкость сплава на 150-200°С, сохраняют исходную структуру уплотнительного пористого материала, истираемость, износостойкость. При этом повышается плотность материала не более чем на 5%.

Для синтеза тонкопленочных покрытий использовали прекурсоры на основе поликарбосиланов и полисилазанов, которые образуют в результате отверждения и пиролиза в инертной среде керамический остаток, состоящий из смеси SiC, Si₃N₄, SiO₂. Данные прекурсоры на основе керамообразующих полимеров в сочетании с керамическими и стеклообразующими наполнителями позволяют осуществить синтез тонкопленочных полифункциональных защитных покрытий. Для повышения жаростойкости, термостойкости, улучшения технологических и защитных свойств тонкопленочных покрытий в их состав вводили модифицирующие компоненты, обладающие стеклообразующими свойствами и улучшающими адгезионные характеристики керамических покрытий.

В качестве исходных компонентов исследовали керамообразующий полимер поликарбосилан ПКС-21М и модифицирующие компоненты – порошки бора аморфного (В_ам) и сернокислого кобальта. Достоинством керамообразующего полимера ПКС-21М является получение керамической фазы SiC-Si₃N₄-SiO₂ в количестве – не менее 75%. Эффективность применения тонкопленочного покрытия обеспечивается низкой температурой его формирования (700°С), что значительно ниже рабочей температуры уплотнительного материала (900°С), и повышенной фазовой стабильностью аморфной структуры покрытия. Основное назначение модифицирующих компонентов - устранение дефектов в покрытии, возникающих как при их получении, так и эксплуатации.

Подготовка связующего полимера ПКС-М и модифицирующих компонентов к работе включала оценку их технологических характеристик: агрегатного состояния, дисперсности частиц, содержания твердой фазы, влажности. Высокое содержание влаги и летучих веществ в материалах является причиной появления дефектов в готовых изделиях. Недостаточное содержание растворителя может привести к снижению текучести материала и неравномерному распределению покрытия по поверхности волокон. Одним из важных свойств модифицирующих компонентов является их дисперсность. Наполнители, состоящие из крупных частиц, могут неравномерно распределяться в процессе нанесения и формирования покрытия, что будет приводить к нестабильности их свойств. Необходимо, чтобы наполнители имели сопоставимо малые размеры частиц и равномерно распределялись в объеме керамических композиций. Для достижения стабильных результатов по испытанию свойств исходных компонентов и суспензий прекурсоров на основе керамообразующих полимеров, исследования проводились на трех партиях каждого компонента суспензий прекурсоров.

Для определения свойств полимера ПКС-21М, порошков бора аморфного и сернокислого кобальта и подготовленных рабочих растворов и суспензий прекурсоров были выбраны следующие методики: агрегатное состояние веществ определяли по ГОСТ 208411, твердую фазу полимера - весовым методом по достижении постоянной массы вещества при нагреве до 140°С (ГОСТ 17537), влажность порошка - по ГОСТ 9758, условную вязкость суспензий прекурсоров - на приборе ВЗ-246 (ГОСТ 8420), дисперсность, выраженную через удельную поверхность частиц S_уд (м²/кг), - на приборе «Анализетте-22», плотность - ареометром (ГОСТ 18481-81).

В исходном состоянии исследуемый полимер представлял собой однородные куски темно-коричневого цвета без механических включений, содержание твердой фазы составляло 72-75% (по массе); бор аморфный (В_ам) - однородный сыпучий порошок черного цвета с дисперсностью частиц S_уд=980-1050 м²/кг, влажность порошка 3%; сернокислый кобальт (CoSO₄) - однородный сыпучий порошок розового цвета с S_уд=700-780 м²/кг, влажность 5%. Оценка качества суспензий прекурсоров включала в себя определение содержания твердой фазы, условной вязкости и плотности.

Исследовано влияние длительности помола модифицирующих компонентов (В_ам и CoSO₄) на дисперсность порошков (S_уд) и режимов сушки – на их влажность. Установлено, что увеличение длительности помола с 10 до 40 ч приводит к повышению удельной поверхности порошков. Определено оптимальное время размола для модифицирующих компонентов. Определен режим сушки бора аморфного и сернокислого кобальта, обеспечивающий влажность порошков ≤1%. Установлено, что с увеличением содержания модифицирующих добавок (В_ам и CoSO₄) концентрация твердой фазы, условная вязкость и плотность увеличиваются пропорционально количеству введенных наполнителей: концентрация твердой фазы прекурсора - с 72,6 до 77% (по массе); условная вязкость - с 20 до 35 с; плотность - с 660 до 770 кг/м³.

Исследованные прекурсоры на основе керамообразующих полимеров использовались для создания опытных образцов тонкопленочных покрытий. Характерной особенностью технологического процесса получения тонкопленочных покрытий из полимерных прекурсоров является твердофазный синтез керамического слоя системы SiС–Si₃N₄-SiO₂ на поверхности волокон по всему объему материала.

Исследование свойств тонкопленочного покрытия проводилось на образцах износостойкого уплотнительного материала, состоящего из металлических волокон сплава системы Fe(Ni)–Cr–Al–Y. На образцы размером 40´15´5 мм наносили экспериментальные составы тонкопленочных покрытий.

По оптимальной технологической схеме были изготовлены образцы для исследования жаростойкости, термостойкости, коррозионной стойкости и истираемости пористых материалов из волокон сплава системы Fe(Ni)–Cr–Al–Y с тонкопленочным покрытием.

Рисунок 2. Жаростойкость образцов износостойкого уплотнительного материала системы  Fe(Ni)–Cr–Al–Y с тонкопленочным покрытием (●) и без покрытия (○)

На рис. 2 приведена жаростойкость образцов износостойкого уплотнительного материала системы Fe(Ni)–Cr–Al–Y с тонкопленочным покрытием. Применение тонкопленочного покрытия для износостойкого уплотнительного волокнистого металлического материала системы Fe(Ni)–Cr–Al–Y обеспечивает его работоспособность при температуре 1100°С в течение 100 ч без разрушения, в то время как без покрытия уплотнительный материал вследствие сильного его окисления теряет работоспособность и разрушается.

Высокая противоокислительная стойкость тонкопленочного покрытия является следствием образования на поверхности тонких дискретных металлических волокон сплошной стеклокерамической пленки из материала системы SiC-Si₃N₄-SiO₂, обладающей высокой адгезией к волокнам.

Образцы разработанного износостойкого уплотнительного материала сохраняют свою целостность также при термоциклических испытаниях. На рис. 3 показан внешний вид образцов пористого износостойкого материала из дискретных металлических волокон с тонкопленочным покрытием после испытания на окисляемость и термостойкость. Покрытие на образцах плотное без трещин, равномерно распределено по всему объему волокна.

Рисунок 3. Внешний вид образцов пористого износостойкого материала с тонкопленочным покрытием после испытания на окисляемость и термостойкость

Основные технические характеристики уплотнительного материала системы Fe(Ni)–Cr–Al–Y с тонкопленочным покрытием представлены в таблице.

Основные технические характеристики уплотнительного материала с тонкопленочным покрытием

Разработанные высокотемпературные тонкопленочные покрытия системы SiС–Si₃N₄-SiO₂ повышенной окислительной стойкости на основе керамообразующих полимеров могут быть использованы при изготовлении истираемых уплотнений проточной части компрессора и турбины ГТД, что позволит снизить износ по торцам дорогостоящих лопаток, получив экономию топлива путем повышения КПД компрессора, увеличить их ресурс.