Жаростойкое покрытие для защиты высокопрочных сложнолегированных никелевых сплавов от высокотемпературной газовой коррозии

Для изготовления деталей и узлов ГТД, работающих в особо теплонапряженных условиях до температур 1050°С длительно и 1200°С кратковременно, разработан жаропрочный никелевый листовой сплав ВЖ159. Особенностями этого сплава являются высокие характеристики пластичности и технологичности. При этом прочностные свойства и длительная прочность в диапазоне рабочих температур от 650 до 1000°С находятся на высоком уровне. Сплав значительно превосходит по термостойкости все серийные гомогенные сплавы на Ni–Cr, Ni–Cr–Co основах. В химическом составе сплав не содержит дефицитные легирующие элементы Co и W [1–5].

Однако жаростойкость сплавов на никелевой основе зависит от типа кристаллической структуры оксидов, их состава, дисперсности и рекристаллизации. Механизмы окисления никелевых сплавов определяются скоростью диффузии сплава и химических реакций, протекающих в окалине.

Кроме того, никелевые сплавы склонны к межкристаллитной коррозии при воздействии высокотемпературного газового потока, обладают низкой коррозионной стойкостью в общеклиматических условиях и нуждаются в применении жаростойких защитных покрытий. В связи с этим при выборе направления разработки защитного покрытия особое внимание уделялось изучению кинетики окисления сплава ВЖ159, состава оксидной пленки в интервале рабочих температур 1000–1050°С [6–21].

Исследования проводили на образцах размером 10×10×1,5 мм, изготовленных из холоднокатаного листа, прошедшего полный цикл термической обработки (рис. 1). Установлена параболическая зависимость окисления сплава при температурах до 1000°С. Жаростойкость сплава оценивали по привесу образцов при продолжительности испытаний 100 ч: при 1050°С привес составляет 17 г/м².

В процессе окисления на поверхности никелевых сплавов образуется оксидная пленка, состав которой изменяется в зависимости от температуры и продолжительности выдержки. На поверхности жаропрочных никелевых сплавов при указанных температурах, как правило, образуется несколько слоев:

– поверхностный тонкий оксидный слой – Ni(NiO) и NiOM₂O₃;

– глубокий слой, обогащенный легирующими элементами.

Рисунок 1. Окисляемость сплава ВЖ159 (1, 2 – без покрытия; 3, 4 – с покрытием) в интервале температур 1000–1050°С

При кратковременном воздействии температур образуются оксиды шпинельного типа с включением NiO и a-Cr₂O₃. С повышением температуры окалина в основном состоит из Cr₂O₃  и фазы NiCr₂O₄. Присутствие в сплаве молибдена и ниобия приводит к увеличению окисляемости сплава за счет рыхлого подокаленного слоя.

Исследование кинетики окисления сплава ВЖ159 в интервале температур 900–1050°С показало, что с ростом температуры интенсивность окисления увеличивается, что приводит к снижению его эксплуатационных свойств и необходимости применения жаростойкого защитного покрытия, которое должно удовлетворять следующим требованиям:

– температура начала размягчения покрытия должна быть ниже температуры интенсивного окисления сплава;

– температурно-временны́е параметры формирования покрытия не должны снижать механические свойства сплава.

Кроме того, необходимо учитывать, что поверхность сплава при высоких температурах является не только объектом защиты от окисления, но и фактором, влияющим на состав и свойства покрытия. Формирование и свойства покрытия определяются следующими основными свойствами:

– химическим составом исходных компонентов;

– чистотой исходных компонентов (составом и количеством примесей);

– гранулометрическим составом.

В связи с этим защитные покрытия должны регламентировать окисление поверхности сплава и способствовать растворению оксидов в слое покрытия. За основу при разработке покрытия для защиты жаропрочного сплава ВЖ159 выбрана силикатная система SiO₂–BaO–B₂O₃–Al₂O₃. Однако составы в данной системе с высоким (>15% по массе) содержанием Al₂O₃ отличаются повышенной тугоплавкостью, в связи с чем синтез покрытия проводился путем оптимизации тугоплавких и легкоплавких фаз, с целью получения покрытия с заданными параметрами:

– температура начала размягчения не более 790–820°С;

– температура формирования покрытия в пределах 1100–1150°С.

Исследованы термические характеристики синтезированных составов (см. таблицу).

Формирование составов покрытия происходит в интервале температур 1150–1210°С, что неприемлемо для сплава ВЖ159. С целью снижения температуры формирования покрытия использовали эффект реакционного отверждения путем введения тетраборида кремния SiB₄, что позволило снизить температуру формирования разработанного покрытия до 1100–1150°С и температуру начала размягчения – до 790°С, обеспечить высокую прочность сцепления покрытия с металлической подложкой. В результате исследований разработано покрытие ЭВК-104М для защиты сложнолегированного сплава ВЖ159.

Термические характеристики покрытия в системе SiO₂–BaO–B₂O₃–Al₂O₃

Эффективность защитного действия покрытия ЭВК-104М оценивалась по основным показателям:

– жаростойкость – применение покрытия снижает окисление сплава при температурах 1000–1050°С в 5–8 раз:

Привес образцов при 1000°С, г/м²

без покрытия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

с покрытием . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6;

– термостойкость:

– коррозионная стойкость – покрытие стойко к действию низких температур, к солевому туману, тропическому климату и обеспечивает работоспособность во всеклиматических условиях; применение покрытия снижает удельную потерю массы образцов сплава – до 14 раз;

– механические свойства сплава – значения длительной прочности сплава с покрытием находятся на уровне ТУ.

Данные по жаростойкости покрытия подтверждены металлографическими исследованиями: на образцах без покрытия присутствует дефектный слой, на образцах с покрытием дефектного слоя не наблюдается. Кроме того, удельная потеря массы образцов из жаропрочного сплава ВЖ159 в продуктах сгорания топлива (ТС-1) в интервале температур 980–1020°С составляет 0,12–0,24 г/(м²·ч). Применение стеклокристаллического покрытия ЭВК-104М снижает удельную потерю массы образцов в 6–8 раз (рис. 2).

В результате проведенных исследований разработано жаростойкое покрытие ЭВК-104М для защиты высокопрочных сложнолегированных никелевых сплавов, предназначенных для изготовления деталей и узлов ГТД, работающих в особо теплонапряженных условиях, от высокотемпературной газовой коррозии при температурах до 1050°C длительно и до 1200°С кратковременно (при забросах).

Рисунок 2. Удельная потеря массы образца из сплава ВЖ159

в продуктах сгорания топлива (ТС-1)

Покрытие ЭВК-104М обладает высокой коррозионной стойкостью, стойкостью к циклическим нагрузкам под напряжением, солевому туману и тропическому климату, а также к действию низких температур.

Покрытие повышает надежность и ресурс работы изделий в 1,5–2 раза, обеспечивает работоспособность во всеклиматических условиях.