Жаропрочное покрытие для нового перспективного интерметаллидного сплава ВИН3

В настоящее время основной тенденцией развития современных газотурбинных двигателей авиационного назначения, в том числе для существующих и перспективных вертолетов, является повышение температуры рабочего газа турбины, что обеспечивает рост тактико-технических и экономических характеристик. В связи с этим представляется целесообразным исследовать возможность применения в вертолетных турбинах новых современных материалов, обладающих по сравнению с используемыми более высокими прочностными характеристиками, а также меньшей плотностью, что позволит снизить массу двигателя и, соответственно, повысить экономическую эффективность данных изделий [1–4].

Одним из направлений комплексного повышения служебных характеристик существующих конструкций ГТД, в том числе продления ресурса работы, снижения массы и повышения рабочих температур, является применение интерметаллидных сплавов на никелевой основе для деталей вертолетных турбин [5–7]. В России во ФГУП «ВИАМ» разработан ряд интерметаллидных литейных сплавов серии ВИН, обладающих удовлетворительным комплексом механических свойств при температурах до 1200°С на базах испытаний до 1000 ч [8–11]. Однако с ростом рабочих температур в перспективных ГТД обеспечение длительных ресурсов работы сопловых лопаток вертолетных турбин не представляется возможным. В условиях интенсивных теплосмен обеднение поверхности деталей из интерметаллидных сплавов алюминием и хромом приводит к окислению и разупрочнению и может быть скомпенсировано применением защитного покрытия [12, 13].

При создании перспективных вертолетных двигателей появляется необходимость увеличения ресурса работы лопаток турбины из новых разработанных сплавов путем нанесения на них жаростойкого покрытия, защищающего от высокотемпературного окисления в области температур 1000–1200°С [14].

Материал и методы исследования

Для исследований выбраны следующие покрытия:

– СДП-2+ВСДП-18 (из серийных жаростойких сплавов);

– СДП-41+ВСДП-18 (показавшее высокую жаростойкость на интерметаллидных сплавах ВКНА-1В и ВКНА-25 [15]);

– СДП-42+ВСДП-18 (СДП-42 схож по составу со сплавом СДП-41 и отличается тем, что Re заменен на W – для снижения стоимости покрытия).

Толщина покрытия из конденсированного слоя сплавов СДП-2, СДП-41, СДП-42 и алюминидного диффузионного слоя из сплава ВСДП-18 во всех случаях составила
80 мкм.

Покрытия наносили на вакуумной ионно-плазменной установке с автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУ ТП) типа МАП-2 [16].

Испытания на изотермическую жаростойкость проводили в соответствии с ГОСТ 6130 на дисковых образцах Ø25 мм, h=3 мм, без покрытия и с покрытиями, в атмосферной печи: в керамических тиглях с крышками при Т=1200°С.

Исследования на циклическую жаростойкостьпроводили на дисковых образцах Ø25 мм, h=3 мм, без покрытия и с покрытиями, по режиму: выдержка при температуре 1200°С в течение 50 мин и охлаждение на воздухе в течение 10 мин до температуры 200°С (1 цикл испытаний). Оценка жаростойких свойств сплава без покрытия и с покрытием осуществлялась гравиметрическим методом – путем взвешивания образцов каждые 20–80 ч испытаний и определения удельного изменения массы образцов без учета массы окалины, осыпавшейся с их поверхности.

Микроструктура композиций «сплав–покрытие» исследовалась на оптическом микроскопе Olympus GX51 после отжига в вакууме и высокотемпературных испытаний на воздухе, элементный состав композиций «сплав–покрытие» – на волновом рентгеновском спектрометре JCMA-733. На данном приборе также изучали структуру покрытий в режиме «COMPO», когда контрастность изображения определяется средней атомной массой химических элементов, входящих в состав исследуемой области или фазы. При этом, чем больше средняя атомная масса, тем светлее на фотографии микроструктуры исследуемая фаза.

Результаты исследования и их обсуждение

После 500 ч испытаний на изотермическую жаростойкость (рис. 1, а) все покрытия обладают высокими характеристиками жаростойкости по сравнению с защищаемым сплавом. Из рис 1, а видно, что для образцов с покрытиями кривые удельного изменения массы имеют незначительные различия, унос массы покрытия не превышает 50 г/м² при общем исходном удельном привесе покрытия 550–600 г/м². Покрытие СДП‑42+ВСДП-18 имеет наименьшую потерю массы (на уровне 17 г/м²), что составляет около 3% от исходного удельного привеса покрытия.

При испытаниях на циклическую жаростойкость (рис. 1, б) на базе 100 циклов не наблюдается снижения массы покрытий СДП-41+ВСДП-18 и СДП-42+ВСДП-18. Покрытие СДП-42+ВСДП-18 имеет схожие показатели – прирост массы составляет 3,35 г/м² – с покрытием СДП-41+ВСДП-18, прирост массы которого составил 8,12 г/м², что говорит о его более интенсивном взаимодействии с кислородом и, как следствие, возможном снижении жаростойкости.

По результатам проведенных металлографических исследований определено, что толщина покрытия СДП-42+ВСДП-18 в исходном состоянии (без учета зоны диффузионного взаимодействия) составила 75–80 мкм.

    Рисунок 1. Удельное изменение массы образцов из сплава ВИН3 в зависимости от продолжительности испытанияна изотермическую жаростойкость при температуре 1200°С (а) и циклическую жаростойкость при температуре 1200⇆200°С (б) без покрытия (○) и с покрытиями СДП-2+ВСДП-18 (●), СДП-41+ВСДП-18 (□), СДП-42+ВСДП-18 (■)

                * Н/о – не обнаружено.

                 * Н/о – не обнаружено.

Методами растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного фазового анализа и микрорентгеноспектрального анализа (рис. 2) установлено, что после испытаний покрытие СДП-42+ВСДП-18 на сплаве ВИН3 полностью сохранилось и продолжало выполнять свои защитные функции. Это связано с тем, что в поверхностном слое выявлены участки β-фазы, а среднее содержание алюминия в слое покрытия составляет 8–9% (по массе).

Таким образом установлено, что после испытаний образцов из сплава ВИН3 на изотермическую жаростойкость при температуре 1200°С на базе 500 ч покрытие СДП-42+ВСДП-18 имеет наименьшую потерю массы из всех исследованных систем покрытий, которая составляет 17 г/м².

По результатам исследования образцов из сплава ВИН3 с защитными покрытиями на циклическую и изотермическую жаростойкость при температуре 1200⇆200°С на базе 100 циклов определено, что в покрытии СДП-42+ВСДП-18 наблюдается прирост массы, который составляет 3,35 г/м².