Разработка теплозащитных покрытий для лопаток ТВД из никелевых монокристаллических сплавов ВЖМ4, ВЖМ5У

Введение

Модернизация и развитие отечественной авиационной промышленности требуют разработки и внедрения безуглеродистых жаропрочных никелевых сплавов для литья лопаток турбин с монокристаллической структурой. В связи с этим в ВИАМ с помощью метода компьютерного моделирования разработаны жаропрочные никелевые сплавы 4-го поколения ВЖМ4 и ВЖМ5 для литья лопаток перспективных авиационных турбин. Новые сплавы по характеристикам длительной прочности и плотности не уступают сплавам аналогичного назначения, разработанным в США (ЕРM-102, фирма General Electric) и Франции (MC-NG, фирма ONERA), и обеспечивают при существующих температурно-силовых режимах увеличение в 4–6 раз ресурса работы лопаток или повышение на 50–60°С рабочей температуры турбин [1–4]. Однако для обеспечения длительного ресурса работы рабочих лопаток турбины в условиях интенсивных теплосмен необходима их защита специальными покрытиями, предотвращающими разрушение поверхности пера лопатки в продуктах горения авиационного топлива при высоких эксплуатационных температурах до 1200°С [5–10]. В настоящее время отсутствуют систематические исследования теплозащитных покрытий (ТЗП) для монокристаллических сплавов типа ВЖМ, содержащих рений и рутений. За рубежом для защиты деталей турбин при рабочих температурах до 1100–1150°С применяют многослойные покрытия PWA286 (фирма Pratt & Whitney Company), RT31 и MDC-150 (фирма Chromalloy Research Corp.). Исследование теплозащитных покрытий для монокристаллических рабочих лопаток из сплавов ВЖМ4 и ВЖМ5У при рабочих температурах до 1150–1200°С является актуальной задачей в связи с разработкой новых авиационных ГТД предприятиями отрасли.

Материалы и методы

Исследования проводили на цилиндрических образцах с монокристаллической структурой из жаропрочных никелевых сплавов ВЖМ4 и ВЖМ5У. Конструкция теплозащитного покрытия представлена на рис. 1. В качестве жаростойкого слоя ТЗП использовали экспериментальные и серийные сплавы, применяемые для изготовления ионно-плазменных покрытий: СДП-41 (Ni–Cr–Al–Ta–Re–Y–Hf); ВСДП-4 (Ni–Al–Cr–Hf); ВСДП-3 (Ni–Cr–Al–Re–Y–Hf); ВСДП-16 (Al–Ni–Y).

Рис. 1. Конструкция теплозащитного покрытия

Жаростойкие слои ТЗП нанесены на промышленной ионно-плазменной установке с автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУТП) типа МАП-2. После напыления материала покрытия проводили высокотемпературный вакуумный отжиг (при 1050°С, 3 ч), необходимый для формирования покрытия и релаксации напряжений. С целью увеличения количества алюминия в поверхностном слое покрытия, необходимого для повышения жаростойкости полученного ТЗП, проводили дополнительное алитирование поверхности отожженных образцов на установке МАП-2 с использованием серийного катода из сплава на алюминиевой основе ВСДП-16 [11–15].

Керамический слой теплозащитного покрытия, наносимый на установке УОКС-2 на базе магнетронных распылителей повышенной частоты из мишеней, изготовленных на основе циркониевого сплава системы Zr–7,75Gd–7,75Y в среде рабочего газа кислорода и аргона, состоит из оксидов редкоземельных металлов с низким коэффициентом теплопроводности. Рабочий газ обеспечивает распыление мишени и генерацию потока атомов металла, направленного к поверхности покрываемых деталей. Формирование керамического слоя на поверхности деталей происходит в процессе плазмохимического взаимодействия атомов металла с атомами кислорода, которые вступают в реакцию, образуя химическое соединение [16–20].

Для проведения испытаний и исследований выбраны комплексные теплозащитные покрытия следующих составов:

– СДП-41 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м²)+ТО+ВСДП-16 (35 г/м²)+ТО+(Zr–7,75Gd–7,75Y)O (60–70 мкм);

– ВСДП-4 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м²)+ТО+ВСДП-16 (35 г/м²)+ТО+(Zr–7,75Gd–7,75Y)O (60–70 мкм);

– ВСДП-3 (80 мкм)+ВСДП-16 (60 г/м²)+ТО+ВСДП-16 (35 г/м²)+ТО+(Zr–7,75Gd–7,75Y)O (60–70 мкм).

Испытания на изотермическую жаростойкость образцов из сплавов ВЖМ4 и ВЖМ5У с ТЗП проводили в камерной электропечи Nabertherm: в закрытых керамических тиглях в спокойной атмосфере печи (на воздухе) при температурах 1150 (500 ч) и 1200°С (100 ч) в соответствии с ГОСТ 6130. Оценка жаростойких свойств образцов из сплава ВЖМ4 и ВЖМ5У с ТЗП осуществлялась гравиметрическим методом путем их взвешивания в процессе испытаний и определения удельного изменения массы без учета массы окалины, осыпавшейся с поверхности. Измерение массы образцов проводилось после 25, 50, 100, 250 и 500 циклов испытаний. Удельное изменение массы образцов (Δm_τ, г/м²) рассчитывалось по формуле

Δm_τ=(m_τ-m₀)/S,

где m_τ – масса образца после τ часов испытаний, г; m₀ – масса образца в исходном состоянии, г; S – площадь поверхности образца в исходном состоянии, м².

Микроструктуру композиции «сплав–покрытие» исследовали на растровом электронном микроскопе FEI Inspect f50.

Результаты

Проведены металлографические (электронная микроскопия) и металлофизические (рентгенофазовый анализ) исследования образцов из сплавов ВЖМ4 и ВЖМ5У с теплозащитными покрытиями в исходном состоянии (рис. 2).

По результатам расшифровки дифрактограмм, полученных после рентгенофазового анализа, установлено, что во всех исследованных образцах 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.

Рис. 2. Микроструктура образцов из никелевых сплавов  ВЖМ5У (а, в, д) и ВЖМ4 (б, г, е) с теплозащитными покрытиями (в исходном состоянии):

а, б – СДП-41+ВСДП-16+ТО+(Zr–7,75Gd–7,75Y)O; в, г – ВДСП-4+ВСДП-16+ТО+ВСДП-16+
+ТО+(Zr–7,75Gd–7,75Y)O; д, е – ВСДП-3+ВСДП-16+ТО+ВСДП-16+ТО+(Zr–7,75Gd–7,75Y)O

Методом растровой электронной микроскопии исследована микроструктура образцов из сплавов ВЖМ4 и ВЖМ5У с теплозащитными покрытиями. Показано, что в исходном состоянии керамический слой ТЗП имеет характерную столбчатую структуру. Результаты измерения толщин полученных защитных жаростойких и керамических слоев ТЗП, сформированных на образцах, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Толщины защитных жаростойких покрытий

В результате проведенных исследований микроструктур образцов из сплавов ВЖМ4 и ВЖМ5У с ТЗП были получены данные о толщинах керамического, клеящего алюминидного и жаростойкого слоев. Толщина керамического слоя составляет 60–70 мкм, структура покрытия представляет собой направленные перпендикулярно к поверхности сплава выращенные в среде аргона и кислорода керамические столбцы на основе диоксида циркония, стабилизованного диоксидом иттрия и гадолиния. Толщина клеящего оксидного слоя на основе оксида алюминия, являющегося переходным между жаростойким и керамическим покрытиями, на всех образцах составляет 2–3 мкм. Толщина жаростойких слоев ТЗП составляет 80–90 мкм, покрытия имеют характерное двухзонное строение: верхний «темный» слой покрытия состоит из фазы β-(NiAl) – это бόльшая часть покрытия с повышенным содержанием алюминия (20–25% (по массе)), которая обеспечивает защиту основы сплава от интенсивного окисления в процессе высокотемпературной эксплуатации, в «светлом» слое содержание алюминия составляет 10–15% (по массе).

Потери удельной массы образцов из сплава ВЖМ4 после 500 ч испытаний на изотермическую жаростойкость при 1150°С и 100 ч при 1200°С с теплозащитными покрытиями и без них приведены в табл. 2 и 3.

Таблица 2

Удельное изменение массы образцов из сплава ВЖМ4 с покрытиями и без них

после испытаний на изотермическую жаростойкость при 1150°С в течение 500 ч

Таблица 3

Удельное изменение массы образцов из сплава ВЖМ4 с покрытиями и без них

после испытаний на изотермическую жаростойкость 1200°С в течение 100 ч

* Сколы керамического слоя на поверхности образца.

По результатам испытаний образцов из сплава ВЖМ4 с теплозащитными покрытиями на изотермическую жаростойкость при температурах 1150 и 1200°С высокими жаростойкими свойствами характеризуются покрытия СДП-41+ВСДП-16+ТО+ВСДП-16+ТО+(Zr–7,75Gd–7,75Y)O и ВСДП-4+ВСДП-16+ТО+ВСДП-16+ТО+(Zr–7,75Gd–7,75Y)O, обладающие наименьшим удельным уносом массы. После проведенной длительной высокотемпературной изотермической выдержки крупных сколов и отслоений поверхностного керамического слоя покрытия не обнаружено.

Потери удельной массы образцов из сплава ВЖМ5У после испытаний на изотермическую жаростойкость при 1150 (500 ч) и 1200°С (100 ч) с теплозащитными покрытиями и без них приведены в табл. 4 и 5.

Таблица 4

Удельное изменение массы образцов из сплава ВЖМ5У с покрытиями и без них

после испытаний на изотермическую жаростойкость при 1150°С в течение 500 ч

* Сколы керамического слоя на поверхности образца.

Таблица 5

Удельное изменение массы образцов из сплава ВЖМ5У с покрытиями и без них

после испытаний на изотермическую жаростойкость при 1200°С в течение 100 ч

  * Небольшие сколы керамического слоя на поверхности образца.

** Скол керамического слоя со всей поверхности образца.

По результатам испытаний образцов из сплава ВЖМ5У с теплозащитными покрытиями на изотермическую и циклическую жаростойкость при температурах 1150 и 1200°С высокими жаростойкими свойствами характеризуется покрытие СДП-41+ВСДП-16+ТО+ВСДП-16+ТО+(Zr–7,75Gd–7,75Y)O, обладающее наименьшим удельным уносом массы. После проведенной длительной высокотемпературной изотермической выдержки крупных сколов и отслоений поверхностного керамического слоя покрытия не обнаружено.

Обсуждение и заключения

Проведены испытания на изотермическую жаростойкость образцов из сплавов ВЖМ4, ВЖМ5У с комплексными теплозащитными покрытиями при температурах 1150 и 1200°С на базе испытаний 500 и 100 ч соответственно.

По результатам проведенных исследований установлено:

– теплозащитные покрытия СДП-41 (Ni–Cr–Al–Y–Ta–Re–Hf)+ВСДП-16 (Al–Ni–Y)+
+ТО+ВСДП-16 (Al–Ni–Y)+ТО+(Zr–7,75Gd–7,75Y)O и ВСДП-4 (Ni–Cr–Al–Y–Hf)+
+ВСДП-16 (Al–Ni–Y)+ТО+ВСДП-16 (Al–Ni–Y)+ТО+(Zr–7,75Gd–7,75Y) обеспечивают длительную защиту сплава ВЖМ4;

– комплексное теплозащитное покрытие СДП-41 (Ni–Cr–Al–Y–Ta–Re–Hf)+ВСДП-16 (Al–Ni–Y)+ТО+ВСДП-16 (Al–Ni–Y)+ТО+(Zr–7,75Gd–7,75Y)O обеспечивает длительную защиту сплава ВЖМ5У.