Разработка теплозащитных покрытий для рабочих и сопловых лопаток турбины из жаропрочных и интерметаллидных сплавов

Введение

   Развитие отечественной авиационной промышленности требует разработки и внедрения новых материалов – безуглеродистых жаропрочных и интерметаллидных никелевых сплавов для литья охлаждаемых рабочих и сопловых лопаток турбины. В связи с этим в ВИАМ с применением метода компьютерного моделирования разработаны жаропрочный никелевый монокристаллический сплав IV поколения ВЖМ4 для литья охлаждаемых лопаток ТВД с рабочей температурой до 1150°С и интерметаллидные сплавы типа ВКНА для сопловых лопаток с рабочей температурой до 1200°С [1–5]. Однако для обеспечения длительного ресурса работы деталей турбины в условиях интенсивных теплосмен необходима их защита специальными покрытиями, предотвращающими разрушение поверхности пера лопаток в продуктах горения авиационного топлива при высоких эксплуатационных температурах [6–9].

Материалы и методы

Исследование теплозащитного покрытия для рабочих лопаток турбины

из жаропрочного никелевого сплава ВЖМ4

   Для защиты рабочих лопаток ТВД от высокотемпературной газовой коррозии в перспективных самолетных, вертолетных и наземных ГТД применяются теплозащитные покрытия (ТЗП), обеспечивающие работоспособность и повышение энергоэффективности благодаря внешнему керамическому слою покрытия, который позволяет снизить температуру газа на поверхности охлаждаемой лопатки до 100°С. Схема конструкции ТЗП, разработанного в ВИАМ для охлаждаемых лопаток турбины перспективных ГТД, представлена на рис. 1.

 Рис. 1. Конструкция комплексного теплозащитного покрытия

   Теплозащитное покрытие состоит из внутреннего металлического жаростойкого слоя и внешнего керамического слоя. Жаростойкий слой является конденсационно-диффузионным покрытием, осаждаемым на ионно-плазменной установке МАП-2 в вакууме путем конденсации на подложку (лопатку) материала из плазменных потоков, генерируемых на катоде. Внутренний жаростойкий слой (ЖСС) наносят в три этапа: на первом этапе наносят слой покрытия на основе никелевого сплава системы Ni–Cr–Al–Ta–Re–Y–Hf, на втором – слой покрытия на основе алюминиевого сплава системы Al–Ni–Y, на третьем этапе – проводят вакуумный отжиг полученных слоев при температуре 1050°С в течение 3 ч для формирования β-фазы (NiAl) с повышенным содержанием Al в поверхностном слое жаростойкого покрытия, обеспечивающим при легировании Hf высокую стойкость к окислению при высоких температурах. Гафний эффективно повышает жаростойкость алюминидных покрытий в области температур до 1200°С.

   Керамический слой, состоящий из оксидов редкоземельных металлов с низким коэффициентом теплопроводности, наносят после формирования жаростойкого слоя ТЗП в среде кислорода и аргона на установке УОКС-2 на базе магнетронных распылителей повышенной частоты из мишеней, изготовленных на основе циркониевого сплава. Материалом керамического слоя ТЗП является соединение на основе системы Zr–Gd–Y [10–17].

Результаты

    В таблице представлены результаты испытаний на изотермическую жаростойкость в закрытых керамических тиглях в спокойной атмосфере печи (на воздухе) при температурах 1150 и 1200°С на базе 500 и 100 ч соответственно.

Внешний вид и удельное изменение массы образцов из сплава ВЖМ4

после испытаний на изотермическую жаростойкость

Покрытие	Условия испытаний	Удельное изменение массы образцов, г/м2	Внешний вид образцов
Без покрытия	1150°С, 500 ч	-2694
	1200°С, 100 ч	-1418
С покрытием*	1150°С, 500 ч	-49,4
	1200°С, 100 ч	-52,1

*Покрытие системы [Ni–Cr–Al–Ta–Re–Y–Hf+Al–Ni–Y] (80–100 мкм) + (Zr–Gd–Y)O (до 100 мкм).

    В результате испытаний на изотермическую жаростойкость образцов из сплава ВЖМ4 с ТЗП выявлено, что внешний керамический слой не имеет отслоений, сколов или вздутий. По результатам рентгенофазового анализа в образцах в исходном виде и после испытаний установлено, что основной фазой в покрытии является тетрагональный оксид на основе системы Zr–Gd–Y, обеспечивающий стойкость к спеканию и длительную работоспособность керамического слоя при высоких температурах, с кратковременными забросами до 1200°С.

    В результате исследований микроструктур образцов из сплава ВЖМ4 с ТЗП методом растровой электронной микроскопии установлено, что в исходном виде керамический слой имеет характерную столбчатую структуру (рис. 2, б).

    Под керамическим слоем находится тонкий оксидный клеящий слой (TGO – thermally grown oxide) на основе оксида алюминия толщиной 3±1 мкм. На микроструктурах этот слой четко выделяется в виде тонкой прослойки между керамическим и жаростойким слоями (см. рис. 2, а, б). Внутренний ЖСС имеет характерное двухзонное строение, верхний слой которого состоит из β-фазы (NiAl) и обеспечивает защиту основы сплава от окисления (см. рис. 2, а). Образец из сплава ВЖМ4 с покрытием состава [Ni–Cr–Al–Ta–Re–Y–Hf+Al–Ni–Y]+(Zr–Gd–Y)O после испытаний имеет вторичную реакционную зону (ВРЗ) толщиной 300 мкм, в которой присутствуют иглы ТПУ фаз (см. рис. 2, в). Керамический слой ТЗП после испытаний имеет трещины в структуре покрытия, что вызвано накоплением напряжений в результате окисления поверхности жаростойкого покрытия, поскольку керамический слой из-за своей пористости пропускает кислород и продукты окисления накапливаются между жаростойким и керамическим слоями (см. рис. 2, в, г). Толщина данного оксидного слоя после испытаний на изотермическую жаростойкость составляет 14±3 мкм (см. рис. 2, г).

Рис. 2. Микроструктуры образцов из сплава ВЖМ4 с теплозащитным покрытием состава
[Ni–Cr–Al–Ta–Re–Y–Hf+Al–Ni–Y]+(Zr–Gd–Y)O:

а, б – в исходном состоянии; в, г – после испытаний при 1150°С в течение 500 ч

Разработка теплозащитного покрытия для сопловых лопаток турбины

из интерметаллидных сплавов типа ВКНА

    Особенность разработки ТЗП для интерметаллидных никелевых сплавов типа ВКНА заключается в повышенной рабочей температуре покрытия. Это связано с прогнозируемым применением данных сплавов при температурах свыше 1200°С в перспективных ГТД. В ВИАМ разработаны жаростойкие покрытия, способные защищать интерметаллидные сплавы типа ВКНА от разрушения при температурах до 1300°С – это покрытия систем [Ni–Cr–Al–Hf+Al–Ni–Y] и [Ni–Cr–Al–Ta–Re–Y–Hf+Al–Ni–Y], отличающиеся пониженным содержанием хрома [18–22].     Такие покрытия могут быть использованы в качестве ЖСС по двум причинам:

– способность защищать изделие из интерметаллидного сплава в случае скола керамического слоя ТЗП;

– сравнительно низкое (не более 11% (по массе)) содержание хрома, приводящее к снижению температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) ЖСС, что увеличивает термостойкость покрытия.

    По данным, полученным из литературных источников, известно, что одними из наиболее широко применяющихся за рубежом подслоев являются платино-алюминидные покрытия, которые представляют собой β-фазу (NiAl) состава, близкого к стехиометрическому, легированную платиной. Известно также, что β-фаза стехиометрического состава имеет температурный коэффициент линейного расширения, наиболее близкий к ТКЛР керамических материалов среди алюминидов никеля.

    Однако в случае покрытия состава [Ni–Cr–Al–Ta–Re–Y–Hf+Al–Ni–Y] повышенные рабочие температуры могут привести к интенсивному обеднению алюминием β-фазы внешнего слоя ЖСС, а также к диффузии тугоплавких элементов, содержащихся в никелевом конденсированном слое ЖСС, в приповерхностные слои покрытия. Появление тугоплавких элементов во внешнем слое ЖСС ведет к увеличению скорости роста и снижению прочностных характеристик оксидного слоя (TGO), формирующегося на поверхности ЖСС в процессе высокотемпературной выдержки, что, в свою очередь, приводит к значительному снижению термостойкости ТЗП. Микроструктура и микроанализ образцов из сплавов типа ВКНА с ТЗП после высокотемпературных испытаний представлены на рис. 3, на котором видны характер разрушения слоя TGO и результаты микрорентгеноспектрального анализа приповерхностного слоя ЖСС состава [Ni–Cr–Al–Ta–Re–Y–Hf+Al–Ni–Y].

Рис. 3. Микроструктура (α – ×700) и результаты рентгеноспектрального микроанализа (б) образцов из сплавов типа ВКНА с теплозащитным покрытием с жаростойким подслоем состава [Ni–Cr–Al–Ta–Re–Y–Hf+Al–Ni–Y]после 50 циклов испытаний при 1200°С

    Таким образом, в качестве базового ЖСС выбрано покрытие состава [Ni–Cr–Al–Hf+Al–Ni–Y]. Однако испытания ТЗП с таким подслоем при температуре 1250°С показали достаточно низкую термостойкость – не более 50 циклов испытаний по режиму: выдержка при 1250°С в течение 45 мин с последующим охлаждением на воздухе в течение 15 мин. Для повышения термостойкости ТЗП проведена оптимизация ЖСС, которая заключалась в повышении:

– содержания алюминия во внешнем слое ЖСС;

– плотности слоя TGO и его адгезии к ЖСС.

    Для обогащения внешнего слоя ЖСС алюминием разработана технология двойного алитирования, позволяющая увеличить его содержание до 35%. Для оптимизации свойств защитной оксидной пленки проведено легирование ЖСС гафнием (экспериментальный состав слоя Al–Ni–Hf).

    Оптимизация ТЗП позволила более чем в два раза повысить его термостойкость при температуре испытаний 1250°С, которая составила 100 циклов.

  Результаты высокотемпературных циклических испытаний ТЗП с различными ЖСС приведены на рис. 4. Видно преимущество использования материала на никелевой основе системы Ni–Cr–Al–Hf, не содержащего тугоплавких легирующих элементов, а также преимущество дополнительного легирования ЖСС гафнием.

Рис. 4. Результаты циклических испытаний на жаростойкость образцов из сплава ВКНА-25 при температуре 1250⇄200°С с теплозащитным покрытием состава:

∎ – [Ni–Cr–Al–Y–Ta–Re–Hf+Al–Ni–Y]+(Zr–Y–Gd)O; ● – [Ni–Cr–Al–Hf+Al–Ni–Y]+(Zr–Y–
–Gd)O; ♦ – [Ni–Cr–Al–Y–Ta–Re–Hf+Al–Ni–Hf]+(Zr–Y–Gd)O; ▲ – [Ni–Cr–Al–Hf+Al–Ni–Hf]+
+(Zr–Y–Gd)O

  Важнейшим свойством ТЗП, определяющим эффективность его применения на рабочих и сопловых лопатках турбин, является теплопроводность, определяющая уровень теплозащитного эффекта и долговечность керамического слоя, а также время, в течение которого покрытие будет выполнять свои теплозащитные функции. Для определения количественного значения данного параметра проведены измерения теплопроводности керамического слоя ТЗП в диапазоне температур от 20 до 1250°С:
λ_ср=1,1 Вт/(м·К) – для керамического слоя ТЗП на основе системы Zr–Gd–Y для охлаждаемых рабочих и сопловых лопаток ТВД.

Обсуждение и заключения

   Для эффективной защиты охлаждаемых изделий турбины разработаны конденсационно-диффузионные ионно-плазменные жаростойкие покрытия на основе систем [Ni–Cr–Al–Ta–Re–Y–Hf+Al–Ni–Y] – для изделий из сплава ВЖМ4 и [Ni–Cr–Al–Hf+Al–Ni–Hf] – для изделий из сплавов типа ВКНА, обладающие высокими защитными жаростойкими характеристиками в области рабочих температур: до 1200°С – для сплава ВЖМ4 и до 1250°С – для сплавов типа ВКНА, которые могут быть использованы в качестве ЖСС в системе ТЗП.

   Проведены высокотемпературные испытания систем ТЗП с выбранными составами ЖСС и керамическим слоем системы Zr–Gd–Y.

   По результатам испытаний видно, что ТЗП состава [Ni–Cr–Al–Ta–Re–Y–Hf+Al–Ni–Y]+(Zr–Y–Gd)O обеспечивает защиту изделий из сплава ВЖМ4 при температурах 1150 и 1200°С до 500 и 100 ч соответственно, а ТЗП состава [Ni–Cr–Al–Hf+Al–Ni–Hf]+(Zr–Y–Gd)O обеспечивает защиту изделий из интерметаллидных сплавов типа ВКНА при температуре 1250°С до 100 ч.

   Керамический слой ТЗП на основе системы Zr–Gd–Y обладает низким коэффициентом теплопроводности и обеспечивает снижение рабочей температуры на поверхности рабочих и сопловых лопаток из современных никелевых жаропрочных и интерметаллидных сплавов.

   Разработанные ТЗП могут быть рекомендованы к использованию для защиты охлаждаемых рабочих и сопловых лопаток ТВД современных самолетных, вертолетных и наземных ГТД.