автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Исследование плазменных теплозащитных покрытий для изделий машиностроения при циклических тепловых нагрузках

На правах рукописи

005044502

ВАЛИЕВ РАМИЛЬ РИФАТОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННЫХ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИХ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗКАХ

Специальности: 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 МАЯ 2012

Набережные Челны 2012

Работа выполнена на кафедре материаловедения, сварки и структурообразующих технологий ФГБОУ ВПО «Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н.Туполева - КАИ»

Научный руководитель: к.т.н., доцент Ильинкова Татьяна Александровна

Официальные оппоненты: Алибеков Сергей Якубович, д.т.н., профессор, ФГОУ ВПО «Марийский государственный технический университет», заведующий кафедрой машиностроения и материаловедения;

Балдаев Лев Христофорович, д.т.н., генеральный директор ООО «Технологические системы защитных покрытий»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (НИУ)»

Защита диссертации состоится 29 мая 2012г. в 16 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.309.01 в ГОУ ВПО Камской государственной инженерно-экономической академии по адресу: 423810, г. Набережные Челны, пр. Мира, 68/19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Камской государственной инженерно-экономической академии.

Автореферат разослан «28» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ^ - Л.А. Симонова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие современного машиностроения связано с созданием и освоением газотурбинных двигателей (ГТД) и энергоустановок, обладающих повышенной эффективностью работы (КПД) и надежностью. Нанесение плазменных теплозащитных покрытий (ТЗП) на основе оксида циркония на детали ГТД, имеющие воздушное охлаждение, позволяет повысить температуру рабочих сред.

В процессе эксплуатации машиностроительных газотурбинных установок под воздействием высокой температуры, внешний теплозащитный слой покрытия постепенно уплотняется, становится жестким и снижает свою способность к сопротивлению деформациям и термическим напряжениям, что в конечном счете, приводит к его разрушению. В этих условиях представляет практический интерес исследование изменений механических и теплофизических параметров ТЗП в результате тепловых циклических нагрузок, близких к условиям эксплуатации изделий. Более точное представление о процессах постепенных изменений в структуре и комплексе механических и теплофизических свойств ТЗП, скорости их протекания в условиях кратковременных теплосмен является определяющим фактором повышения надежности данного типа покрытий.

Высокая эффективность теплозащитных покрытий обусловлена, в основном, малым значением коэффициента теплопроводности, который должен оставаться максимально низким при долговременной работе покрытий.

В настоящее время проводятся интенсивные исследования по физическому и численному моделированию процессов, происходящих в плазменных ТЗП. Важное место в этих исследованиях уделено анализу термостойкости и описанию механизмов разрушения покрытий в различных условиях теплового нагружения. Однако исследованию. термостойкости ТЗП при воздействии постоянно действующего градиента температуры посвящено незначительное количество работ, которые связаны главным образом с поиском химических составов ТЗП, оптимальных с точки зрения подавления процессов спекания керамического слоя ТЗП. Кроме того, в этих работах не раскрыты данные о природе физико-механических и теплофизических процессов, происходящих в ТЗП при термической усталости, что не позволяет прогнозировать долгосрочное поведение этих покрытий в реальных условиях и, соответственно, затрудняет разработку технологических процессов напыления покрытий большого ресурса.

В связи с этим тема диссертационной работы, посвященная исследованию процессов изменения структуры и свойств плазменных ТЗП для изделий машиностроения при циклических тепловых нагрузках в условиях постоянно действующего температурного градиента представляется актуальной.

Работа выполнялась при поддержке Фонда содействия малым формам \ бизнеса в научно-технической сфере (программа СТАРТ-06, государственный контракт № 4224р/ 6625 от 26.06.06).

Объектом исследования диссертационной работы является плазменные двухслойные ТЗП на основе оксида циркония, стабилизированного 6-8% оксида иттрия, нанесенные на жаропрочный сплав ВХ-4А.

Предметом исследования диссертационной работы являются комплекс структурных, теплофизических и механических свойств ТЗП, подвергнутых циклической тепловой нагрузке, а также их взаимосвязи.

Целью работы является установление закономерностей деградации и разрушения плазменных теплозащитных покрытий на основе оксида циркония в условиях циклических тепловых нагрузок при наличии градиента температуры.

Задачи исследования:

• на базе созданного испытательного стенда разработать методику проведения испытаний на термоциклирование в условиях постоянного воздействия термического градиента по режимам, близким к эксплуатационным;

• исследовать поведение двухслойных плазменных ТЗП при циклических тепловых нагрузках;

• установить изменения, происходящие в микроструктуре и свойствах покрытий, и особенности разрушения ТЗП в зависимости от состава подслоя и толщины керамического слоя при циклических тепловых нагрузках;

• с использованием результатов экспериментов построить физические и численные модели состояния ТЗП рациональных толщин, позволяющие разработать рекомендации по совершенствованию технологии их напыления на детали ГТД, применяемых в машиностроении.

Научная новизна

1. Выявлены основные механизмы изменения функциональных свойств ТЗП и их разрушения в условиях циклических тепловых нагрузок, близких к эксплуатационным. Установлено, что под влиянием нестационарного температурного поля в ТЗП возникает градиент механических свойств, вызванный процессами спекания, который с увеличением наработки ТЗП усиливается.

2. Научно обоснован рациональный диапазон толщин керамического слоя плазменных ТЗП, в котором процессы деградации протекают с низкой скоростью и не вызывают разрушения до 5000-6000 циклов термической нагрузки.

3. Предложены численные модели теплового и напряженно-деформированного состояния ТЗП, учитывающие состояние микроструктуры, теплофизические и механические свойства, позволяющие конструировать ТЗП с высоким ресурсом.

Автор защищает:

1. Результаты экспериментального исследования термостойкости в условиях действия температурного градиента, микроструктуры, теплофизических и механических свойств плазменных ТЗП.

2. Физические модели спекания и разрушения ТЗП, связанные с технологическими факторами создания ТЗП и условиями испытаний.

3. Результаты численного моделирования теплового и напряженно-деформированного состояния ТЗП толщин 260 - 460 мкм, возникающих при циклических тепловых нагрузках.

Практическая значимость результатов состоит в том, что данные по характеру спеканию, окислению и разрушению ТЗП в процессе испытания на термостойкость, полученные при режимах, близких к эксплуатационным, позволяют осуществить научно - обоснованный выбор порошковых материалов, толщин для ТЗП, а также технологии их напыления.

По материалам диссертации представлены рекомендации для ОАО КМПО, которые использованы при разработке нового технологического процесса плазменного нанесения ТЗП на детали камеры сгорания изделия НК-38СТ. Получен акт внедрения результатов диссертационной работы. Результаты диссертации вошли в состав отчетов о НИОКР по теме «Разработка и создание экспериментальной установки для испытания материалов и покрытий. Проведение комплекса исследований и испытаний теплозащитных покрытий на образцах» (государственный контракт № 4224р/ 6625 от 26.06.06) и «Исследование структуры и механических свойств ТЗП с разработкой физических и математических моделей системы» (договор НЧ 205001 от 01.11.2006 г.).

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается и обеспечивается использованием апробированных методов проведения теплофизических экспериментов с применением поверенных средств измерения высокого класса точности. Результаты исследований подвергнуты обработке с применением методов математической статистики, сопоставлены с данными других авторов и имеют хорошую сходимость.

Личный вклад автора. Соискатель участвовал в разработке испытательного стенда и методик испытаний, провел в полном объеме теплофизические эксперименты, исследования структуры и комплекса свойств ТЗП, участвовал в численном моделировании теплового и напряженно-деформированного состояния модельных образцов.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: 8-й международной конференции «Пленки и покрытия - 2007» (С-Петербург, 2007 г); XV, XVI и XVII Международных молодежных научных конференциях «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ им. А.Н.Туполева, 2007, 2008, 2009 г.); IY и V Международных научно - практических конференциях «Современные технологии ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (Казань, ОАО «Казанская ярмарка», 2008, 2010 г.); XX и XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, КВАКУ им. М.Н. Чистякова, 2008, 2011 г.); IV Международной молодежной научной

конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2009г.); V и VI -Всероссийской и Международной научно - технических конференциях «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» (Казань, КНИТУ-КАИ, 2009,2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе три статьи в журналах рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, содержит 169 страниц текста, в том числе 82 рисунков, 22 таблицы, список литературы, содержащий 132 источника информации, 3 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обосновывается актуальность и практическая значимость решаемых в диссертационной работе проблем.

В первой главе выполнен обзор результатов экспериментальных исследований термостойкости плазменных ТЗП и моделей прогнозирования их долговечности, изложенных в работах Н.В. Абраимова, П.Т.Коломыцева, JI.H. Лесневского, М. Koolloos, С. Berndt, J. Nesbitt, D. Zhu, R. Miller, C. Barrett, K.Bouhanek, O.Adesanya, Schlichting K., Leyens, U. Schulz, К. Fritscher, и др.

Критический анализ опубликованных работ показал, что одной из основных причин возникновения микротрещин в ТЗП и его последующего разрушения является малоцикловая усталость, которая накапливается при нагреве и охлаждении деталей ГТД в процессе его запуска и остановки. Поэтому важными критериями, определяющими пригодность ТЗП для использования их. в двигателях, являются результаты термоциклических испытаний таких покрытий.

Во второй главе описаны применяемые в работе материалы, технология напыления модельных образцов, методы исследований покрытий.

В качестве материала основы использовался сплав ВХ-4А (ЭП 648), применяемый для изготовления деталей камеры сгорания ГТД. Порошковые материалы для создания двухслойных ТЗП выбраны из числа отечественных, серийно выпускаемых: жаростойкие порошковые сплавы ПВ-НХ16Ю6Ит по ТУ 14-22-34-90 и ПНХ20К20Ю13 по ТУ 14-22-11-88 - для создания подслоя ТЗП; порошковый материал оксида циркония, стабилизированного 6-8% оксида иттрия - ЦИО-7-10-50 по ТУ 1-595-2-659-2002 - для внешнего теплозащитного слоя покрытия. Толщина теплозащитного слоя варьировалась в пределах 0,2-0,8 мм. Толщина подслоя номинально поддерживалась 80-100 мкм.

Подготовка образцов для испытания на термоциклирование производилась в ОАО «КМПО».

Для проведения испытания на термоциклирование был создан испытательный стенд (рисунок 1) и разработана методика исследования.

Термический цикл состоял из нагрева образца со стороны покрытия до температуры 1500 - 1540К и охлаждения до температуры 373 - 443К с частотой 30 секунд. Регистрация температуры поверхности покрытия

осуществлялась оптическим пирометром С-500.7 «Кристалл». Температура охлаждаемой поверхности образца измерялась четырьмя поверхностными хромель-алюмелевыми термопарами с разнесенным спаем. Измерение ЭДС термопар производилось с помощью АЦП L-761. Регистрация температуры выполнялась с помощью компьютерной программы «Power Graph» (№5С2053).

охлаждающее сопло, расположенное перед держателем образца; 4 - неподвижное охлаждающее сопло, расположенное за держателем образца; 5 - воздушный компрессор; 6 -

электромагнитный клапан; 7-горелка; 8 - подвижная стойка; 9 - вал стойки; 10 - тяга; 11-кривошипный механизм; 12-электромагнитная муфта; 13 - мотор-редуктор; 14-пирометр;

15 - аналоге- цифровой преобразователь; 16 - термопара; 17 - блок задания цикла; 18 -счетчик - часы; 19 - кран регулирования расхода воздуха; 20 - баллон пропана; 21 - баллон кислорода; 22 - редуктор пропана; 23 - редуктор кислорода; 24 - кран регулирования расхода пропана; 25 - кран регулирования расхода кислорода.

Расчет температурного поля модельного образца производился с использованием метода конечных элементов, реализованного в прикладном пакете АЫЗУЭ (№0080аё7НесП055). Расчет производился в двумерной постановке с использованием граничных условий первого рода. При этом для каждого компонента системы «двухслойное покрытие-основа» в

геометрической модели создавался отдельный г-................. ™

слой (рисунок 2). Расчетом показано, что разность температур по радиусу образца на поверхности покрытия составляет 150-200К, при этом максимальная температура наблюдается в центре образца. Температура материала основы по радиусу образца примерно одинакова и составляет около 1210 К. Разность температур по сечению образца составляет 31 ОК. Основная база испытания составляла 1 ОООциклов. Для Рисунок 2. Расчетное распределе-двух образцов база испытания составляла 5000 ние температуры в образце и 6000 циклов.

Исследование микроструктуры, объемной пористости, размеров пор испытанных покрытий проводилось на оптическом металлографическом микроскопе Ахюуег! МАТ с обработкой изображений с помощью прикладного пакета программ АхюУ1гюп (№7348С56С78).

Микротвердость ТЗП определялась по ГОСТу 9450-76 с помощью твердомера - микроскопа НХ 1000ТМ при нагрузке 0,98 H и выдержке 15 секунд. Результаты измерений подвергались статистической обработке с помощью программ Statistica (№31415926535897) и Microsoft Excel (№89396726-2958074-65586). Комплекс применяемых методик согласован с СНТК им. Н.Д. Кузнецова - разработчиком изделия НК-38СТ.

В третьей главе выполнены исследования деградационных изменений в микроструктуре и свойствах керамического слоя ТЗП под воздействием циклических тепловых нагрузок.

По результатам измерения микротвердости керамического слоя ТЗП установлено, что с увеличением количества циклов испытания происходит спекание керамического слоя. Процесс уплотнения вначале затрагивает подповерхностные слои, а затем и весь керамический слой (рисунок 3). Микротвердость с наработкой изменяется в соответствии с зависимостью: HV = 7487,8N0'0783 , где N - количество циклов. Значения микротвердости наиболее высокие в центре образца и составляет 14000-14500 МПа для ТЗП с наработкой в 6000 циклов. От центра сечения образца к краю и от поверхности в глубину, ближе к подслою, происходит снижение значений микротвердости примерно на 10 и 25-30% соответственно. Это свидетельствует о возникновении градиента механических свойств в покрытии при термическом воздействии. С увеличением тепловой наработки градиент микротвердости увеличивается от 8,3 до 14,3 МПа/мкм. С наработкой происходит увеличение рассеяния отдельных значений микротвердости на 58% от нижней зоны к подповерхностной зоне керамического слоя, что связано с процессами

микрорастрескивания керамики.

Увеличение микротвердости связано с уменьшением размеров пор, а также с полным «залечиванием» мелких пор и микротрещин (рисунок 4). Объемная пористость в керамическом слое в исследуемом диапазоне наработки снижается приблизительно на 20%, что аппроксимируется зависимостью: П =122,5N'0,263. При увеличении времени испытания радиус пор имеет небольшую тенденцию к снижению (=7,5%). При этом Рисунок 3. Распределение микро- средний радиус пор в покрытиях с различ-твердости керамического слоя ной наработкой составляет 1,5-1,7 мкм. ТЗП по сечению. В процессе спекания происходит также

изменение эллиптической формы пор, обусловленной процессом плазменного напыления, в сферическую (рисунок 5). Созданная численная модель уплотнения пористого керамического слоя ТЗП, связанная с уменьшением площади поверхности пор различной формы, удовлетворительно согласуется с

«ммяям* ЙЙ t.

Ii

1

экспериментальными данными металлографического исследования микроструктур ТЗП.

раки 1

ш

а б в

Рисунок 4. Микроструктуры ТЗП: а - До испытания (200х), б - 1000 циклов (100х), в - 5050 циклов (200х)

Установлена корреляция между объемной пористостью и микротвердостью керамического слоя: коэффициент корреляции составляет -0,83 (рис.6).

Рисунок 5. Сфероидизация пор при Рисунок 6. Зависимость объемной пористости и спекании керамического слоя.Образец усредненной микротвердости от наработки с наработкой 6040 циклов (ЮООх) образцов: А - пористость, 0- микротвердость

На основании полученного банка данных измерения температуры на поверхности образцов в процессе испытаний производился расчет коэффициента теплопроводности и численное моделирование напряженно-деформированного состояния ТЗП. Расчет коэффициента теплопроводности (к) производился в одномерной постановке. Установлено, что коэффициент теплопроводности изменяется в среднем от 0,7 до 1,5 Вт/мК и его небольшой рост происходит в первые 100-300 циклов. В дальнейшем значения коэффициента теплопроводности относительно стабильны, что связано с происходящими в керамическом слое процессами, как уплотнения, так и

7

15000 14500 | 14000 ¿ 13500 g 13000 s 12500

Cl

| 12000 11S00 11000

0

1000 2000 3000 4000 5000 Количество циклов. N

микрорастрескивания. Рассеяние значений Хтзп относительно среднего значения не превышает (5...8)%, что находится в пределах доверительного интервала суммарной погрешности при вероятности 0,95.

Установлено, что для покрытий, имеющих высокую наработку 5000-6000 циклов (рисунок 1а), разность температур на поверхности покрытия и основы с обратной стороны образца с течением времени монотонно увеличивается, что свидетельствует о постепенном накоплении повреждений в керамическом слое в виде мелких трещин, которые, однако, не превращаются в сквозные. В покрытии с низкой долговечностью при испытании в 513 циклов (рисунок 16) разность температур снижается, что свидетельствует об образовании сквозных поперечных трещин в покрытии, через которые беспрепятственно проходит тепловой поток. Такие трещины способствуют снижению тепловой защиты и достаточно быстро приводят к разрушению покрытия. Важно, что в одну выборку с образцом, разрушившимся при испытании, вошли и неразрушенные образцы с наработкой 1000 циклов, для которых можно прогнозировать разрушение при большей наработке.

о '.'X' 1поо 1™ заоо гад юоо »500 «со .бог; «со

0.7Я5

♦

I 0.780 .

£ 0.7бЬ д 0.760 0,744

Рисунок 7. Характер изменения тепловой защиты образца при испытании: а - с наработкой 5000 циклов, неразрушенный образец; б - долговечность 513 циклов.

В четвертой главе приводятся результаты исследования долговечности и механизмы разрушения ТЗП при термоциклировании.

Образцы с различной толщиной керамического слоя подвергались испытаниям вплоть до видимых следов разрушения покрытия. При этом фиксировалось число циклов до разрушения. Условием разрушения считалось нарушение сплошности покрытия, составляющие более 25% площади поверхности. На рисунке 8 представлен график зависимости долговечности ТЗП от толщины керамического слоя, как главного параметра покрытия, влияющего на долговечность. ТЗП с диапазоном толщин 260-460 мкм показали наиболее высокую стойкость к термоциклированию. В данном диапазоне отсутствуют разрушения.

Очаги зарождения трещин возникают на поверхности керамического слоя под влиянием источника тепла и имеют вид раковин (рисунок 9а). Далее они начинают расти в направлении, перпендикулярном к поверхности покрытия через керамический слой (вертикальные трещины) (рисунок 96). Заканчиваясь на межслоевой поверхности или на границе «подслой/керамический слой»,

возникают новые, уже горизонтальные трещины, которые растут параллельно этой границе (рисунок 9в), вызывая отслоение покрытия.

а 6 в

Рисунок 9. Картина разрушения керамического слоя ТЗП. а - Очаги зарождения термоусталостных трещин на поверхности керамического слоя (200х); 6 - Рост вертикальных трещин в керамическом слое ТЗП (ЮОх); в - Рост продольных трещин, вызывающих отслоение части керамического слоя (200х).

Учитывая, что интенсивное спекание керамического слоя проходит первые 300 циклов, можно предположить, что микротрещины в керамике возникают именно в этот момент, когда уровень значений микротвердости достигает 13000-14500 МПа (рисунок 10). При достижении предельного уплотнения покрытие растрескивается, высвобождаются внутренние напряжения, что вызывает снижение микротвердости по границам трещин до значений 1170012400 МПа. Дальнейшее спекание керамического слоя приводит к слиянию и расширению образовавшихся микротрещин (рисунок 11), а также и развитию магистральных трещин различной ориентировки. Выделены основные виды разрушения ТЗП, которые носят адгезионно-когезионный характер: частичное отслоение покрытия по границе «керамика - подслой» (ЧОК-1) или «подслой -основа» (ЧОК-2), частичное расслоение керамики (ЧРК). Характерным видом разрушения ТЗП с большой толщиной керамического слоя является полное отслоение керамического слоя без подслоя (ПОК-1) или частично с подслоем (ПОК-2) (см. рисунок 12).

I

С увеличением времени испытания возрастает окисление металлического подслоя, растет слой ТВО (термически выращенный оксид). Окисление происходит не только на поверхности подслоя, но и на многочисленных межслоевых поверхностях внутри подслоя, а также на поверхности основы. При сильном окислении подслоя основным видом разрушения является растрескивание по границе оксида с керамическим слоем, в основном по выступам синусоидальной поверхности подслоя, а также внутри этого слоя (рисунок 13). Сильное окисление межслоевых поверхностей внутри подслоя вызывает рост микротвердости (рисунок 14).

Рисунок 13. Схема разрушения ТЗП при окислении подслоя. ТВО - оксид алюминия, выросший в процессе термического испытания

Установлено, что в подслое ПНХ20К20Ю13 скорость роста микротвердости примерно вдвое ниже, чем в подслое ПВНХ16Ю6, что очевидно связано с присутствием кобальта.

Рисунок 10. Образование микротрещин Рисунок 11. Слияние и расширение в керамическом слое (1 бООх) микротрещин (1 бООх)

Ч О К 1

Рисунок 12. Основные механизмы разрушения ТЗП

3000 -----—----—•---------------■

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Я ПВНХ16ЮОТТ

Количество циклов, N

________♦ ШЕаокгоюи

Рисунок 14.' Зависимость микротвердости подслоев разного состава от времени воздействия температуры

Расчет уровня термических напряжений и деформаций в Ansys, возникающих в ТЗП средней толщины рационального диапазона (300 мкм) показал, что при 1520К в момент действия наибольшего градиента температуры возникают напряжения растяжения на границе «подслой -керамический слой» вблизи металлической основы размером в 188 -190 МПа (рисунок 15й). Возникающие деформации расположены в подслое и достигают 1% (рисунок 156).

а б

Рисунок 15. Численная модель термических напряжений (а) и деформаций (б) возникающих в покрытии в момент действия наибольшего градиента температуры

Тепловая модель показывает, что с увеличением толщины керамического слоя ТЗП с 260 мкм до 460 мкм температура на границе с подслоем снижается на 100К (рисунок 16). При этом интенсивность снижения температуры по толщине керамического слоя примерно одинакова для разных толщин и составляет 0,45-0,57 К/мкм.

Таким образом, результаты численного моделирования показали, что повышение толщины керамического слоя до 460 мкм представляется целесообразным, т.к. при этом эффект тепловой защиты улучшается, а целостность покрытия сохраняется.

4 1301 1 3 1316 ' ни "4г9 I*« : V

в

Рисунок 16. Температурное поле по сечению образца с толщиной керамического слоя: а - 260 мкм, 6 - ЗООмкм, в - 460 мкм

Выводы

1. Раскрыты1 основные механизмы снижения функциональных свойств ТЗП в условиях тепловых циклических нагрузок. Установлено, что в первые 300 циклов в керамическом слое ТЗП происходит интенсивное спекание, приводящее к «залечиванию» микротрещин и мелких пор, повышению микротвердости, снижению объемной пористости. В дальнейшем уплотнение керамического слоя протекает с невысокой интенсивностью.

2. Установлено, что коэффициент теплопроводности ТЗП составляет в среднем 0,7-1,5 Вт/мК и мало изменяется с наработкой, поскольку уплотнение керамического слоя протекает с одновременным его микрорастрескиванием, что сохраняет эффективность тепловой защиты ТЗП.

3. Под влиянием нестационарного температурного поля процессы спекания происходят более интенсивно в подповерхностных и центральных слоях керамики ТЗП, обеспечивающие образования градиентного покрытия с изменяющимися по сечению механическими свойствами. С увеличением наработки образца градиент микротвердости по сечению керамического слоя увеличивается от 8,3 до 14,3 МПа/мкм.

4. Характер изменения перепада температуры по толщине керамического слоя ТЗП с наработкой позволяет прогнозировать долговечность покрытия. Показано, что для долговечных ТЗП перепад температуры по толщине керамического слоя с течением времени незначительно увеличивается. В покрытиях с низкой долговечностью перепад температуры по толщине керамического слоя интенсивно снижается, что свидетельствует об образовании сквозных поперечных трещин, быстро приводящих к разрушению покрытия.

5. Раскрыты основные механизмы разрушения ТЗП в условиях циклических тепловых нагрузок. Полное отслоение керамического слоя характерно для толщин керамического слоя более 460 мкм. Для толщин менее

260 мкм основным механизмом разрушения является частичное отслоение керамического слоя. При толщинах керамического слоя 260-460 мкм покрытия не разрушаются вплоть до 6000 циклов наработки.

Процесс окисления подслоя не является доминирующим механизмом при разрушении ТЗП, т.к. скорость окисления подслоя в условиях высокочастотной циклической нагрузки мала.

6. Численная модель теплового и напряженно-деформированного состояния ТЗП для оптимального диапазона толщин показывает, что наибольшие термические напряжения растяжения возникают в керамике близи подслоя и достигают уровня 188 - 190 МПа. Возникающие при этом деформации в стадии нагрева достигают 1% и действуют в металлическом подслое. Такое напряженное - деформированное состояние не вызывает разрушение ТЗП.

7. Тепловая модель показывает, что с увеличением толщины керамического слоя ТЗП с 260 мкм до 460 мкм температура на границе с подслоем снижается на 100К. При этом интенсивность снижения температуры по толщине керамического слоя примерно одинакова для разных толщин и составляет 0,45-0,57 К/мкм.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

Статьи, опубликованные в рецензируемых журналах:

1. Валиев P.P. Теплопроводность термобарьерных покрытий/ Илышков A.B., Ильинкова Т.А., Щукин A.B., Валиев P.P., Басаргин И.В.Н Известия ВУЗов «Авиационная техника» № 3,2009. С.54-58.

2. Валиев P.P. Изучение процессов спекания керамического слоя теплозащитных покрытий при термическом ударе// Вестник КГТУ, 2009.- №4 - С.35-39.

3. Валиев P.P. Долговечность плазменных теплозащитных покрытий в условиях термического нагружения/ Ильинкова Т.А., Валиев P.P., Тагиров А.Т. // Вестник КГТУ 2010,- № 2 - С.24-29.

Работы, опубликованные в других изданиях:

4. Валиев P.P. Исследование теплозащитных покрытий в условиях термического удара / Ильинкова Т.А., Ильинков A.B., Валиев P.P., Шигапов А.И. // Сборник трудов 8-й международной конф. «Пленки и покрытия - 2007», С-Петербург, 2007,- С.231-233.

5. Валиев P.P. Исследование плазменных теплозащитных покрытий на термостойкость / Валиев P.P., Тагиров А.Т.// Международная молодежная научная конференция «XV Туполевские чтения». Казань, КГТУ им. А.Н.Туполева. 2007. том 1- С 167-168.

6. Валиев P.P. Термостойкость теплозащитных покрытий// VIII Уральская Школа -семинар металловедов-молодых ученых, Екатеринбург, 2007.- С. 140-142.

7. Валиев P.P. Теплофизические и термомеханические свойства плазменных керамических термобарьерных покрытий/ Ильинкова Т.А., Ильинков A.B., Валиев P.P., Барсукова Е..А.// Международная научно - практическая конференция «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» Казань, 2008. том 1-С. 287-292.

8. Валиев P.P. Исследование теплозащитных покрытий в различных условиях термоциклирования/ Ильинкова Т.А., Ильинков A.B., Валиев P.P., Ишмуратов Д.Л.// Электромех. и внутрикакмерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, мат-лов и изделий. Сб. мат-лов XX Всерос. Межвуз. н-т- конф. Казань, 2008, часть 1- С. 361-363.

9. Валиев P.P. Теплопроводность термобарьерных покрытий при термоциклических испытаниях/ А. В. Ильинков, Т. А. Ильинкова, А. В. Щукин, И. В. Басаргин, Р.Р.Валиев II Электромех. и внутрикакмерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, мат-лов и изделий. Сб. мат-лов XX Всерос. Межвуз. Н-т- конф. Казань, 2008 , часть 2- С. 46-47.

10. Валиев P.P. Термоциклические испытания термобарьерных покрытий/ Валиев P.P., Басаргин КВ., Каурое A.B.// Международная молодежная научная конференция «XVI Туполевские Чтения». Казань, 2008, том 1- С. 279-280.

11. Валиев P.P. Механизмы разрушения теплозащитных покрытий при испытании на термический удар// IX Уральская Школа - семинар металловедов-молодых ученых. Екатеринбург, 2008. С. 79-81.

12. Валиев P.P. Исследования структуры и свойств теплозащитных покрытий (ТЗП) после испытания на термический удар// Материалы докладов IV-й Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». Казань, 2009, том 3- С. 92-94.

13. Валиев P.P. Разработка газотермических теплозащитных покрытий, устойчивых в условиях термического нагружения// V - Всероссийская научно - техническая конференция

«Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-2009». Казань, 2009. том 2- С. 323-328.

14. Валиев P.P. Критерии оценки надежности теплозащитных покрытий/Ильинкова Т.А., Валиев P.P., Тагиров А.Т., Ибрагимов А.Р.// V междунар. н-практ. конф. «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (AKTO-20I0), г.Казань.

15. Валиев P.P. Механические свойства и долговечность теплозащитных покрытий на основе оксида циркония/ Ильинкова Т.А., Валиев P.P., Тагиров А.Т., Ибрагимов А.Р.// Ill-Международная научно - техническая конференция «Авиадвигатели XXI века» Москва (ЦИАМ), 2010, С. 700-703

16. Валиев P.P. Моделирование уплотнения термобарьерных покрытий/ Байгалиев Б.Е., Ильинкова Т.А., Валиев P.P., Тумаков А.Г., Биктимиров Д.Р.// Электромех. и внутрикакмерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, мат-лов и изделий. Сб. мат-лов XXIII Всерос. Межвуз. Н-т- конф. Казань, 2011 , часть 2- С. 45-48.

17. Валиев P.P. Закономерности деградации и разрушения теплозащитных покрытий при термоциклировании/ Валиев P.P., Ильинкова Т.А.// Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики (АНТЭ-2011). Сб. мат-лов VI - Международной научно- технической конференции. Казань, 2011, том 2- С. 122-127.

Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Печл. 1,0 Усл.печл. 0,93 Уч.-изд.л. 0,97. Тираж 100 экз. Заказ А78.

Типография КНИТУ-КАИ. 420111, г. Казань, К. Маркса, 10

61 12-5/3854

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА - КАИ

(КНИТУ-КАИ)

На правах рукописи

ВАЛИЕВ РАМИЛЬ РИФАТОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННЫХ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИХ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗКАХ

Специальности: 05.16.09 -Материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Т.А. Ильинкова

Набережные Челны 2012

Содержание

Введение................................................................................................................4

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования..............9

1.1 .Назначение и методы создания ТЗП...............................................9

1.2. Обзор экспериментальных работ, посвященных исследованию термостойкости ТЗП.......................................................................12

1.3. Процессы, происходящие в керамическом слое ТЗП при тепловом воздействии.................................................................................20

1.3.1.Фазовые превращения.............................................................20

1.3.2. Процессы спекания................................................................20

1.4. Процессы, происходящие в подслое ТЗП при тепловом воздействии.. .21

1.5. Величина тепловой защиты.......................................................23

1.6. Оценка коэффициента теплопроводности ТЗП...............................24

1.7. Основные механизмы разрушения ТЗП.......................................26

1.8. Постановка задач исследования..................................................30

Глава 2. Материалы, технология изготовления образцов и методы исследования ТЗП........................................................................32

2.1. Материал основы..................................................................32

2.2. Материалы подслоя теплозащитного покрытия..............................33

2.3. Порошок ЦИО-7-10-50 для керамического слоя.............................35

2.4. Технология изготовления модельных образцов...............................37

2.5. Испытательный стенд для испытания на термостойкость..................41

2.6. Методика испытания на термостойкость.......................................46

2.7. Методы исследования покрытий................................................52

Глава 3. Деградация керамического слоя ТЗП в условиях

термоциклирования....................................................................57

3.1. Изменение пористости керамического слоя ТЗП.............................57

3.2. Изменение микротвердости керамического слоя ТЗП.......................65

3.3. Изменение коэффициента теплопроводности ТЗП.........................71

3.4. Расчет степени тепловой защиты ТЗП..........................................82

Выводы к 3 главе...........................................................................85

Глава 4. Разрушение ТЗП в условиях циклических тепловых нагрузок.......................................................................................................87

4.1. Основные механизмы разрушения ТЗП.........................................90

4.2. Расчет напряженно - деформированного состояния ТЗП................100

4.3. Расчет эффективности тепловой защиты ТЗП оптимальных

толщин......................................................................................ЮЗ

4.4. Окисление подслоя...............................................................108

4.5. Исследование микротвердости подслоя ТЗП................................115

Выводы к 4-й главе........................................................................120

Общие выводы по исследованию....................................................121

Литература.................................................................................123

Приложение I. Акт внедрения........................................................137

Приложение II. Экспериментальные значения температур при

термоциклировании через каждые 20 циклов (рабочий режим)...............139

Приложение III. Экспериментальные значения температур при термоциклировании через каждые 100 циклов (стационарный режим)..... 163

Введение

Актуальность проблемы. Развитие современного машиностроения во многом связано с созданием и освоением газотурбинных двигателей (ГТД) и энергоустановок, обладающих повышенной эффективностью работы и надежностью. Нанесение плазменных пористых теплозащитных покрытий (ТЗП) на основе оксида циркония на многие детали ГТД, имеющие воздушное охлаждение, позволяет повысить температуру рабочих сред.

В процессе эксплуатации машиностроительных газотурбинных установок под воздействием высокой температуры, внешний теплозащитный слой покрытия постепенно уплотняется, становится жестким и снижает свою способность к сопротивлению деформациям и термическим напряжениям, что, в конечном счете, приводит к его разрушению. В этих условиях представляет практический интерес исследование изменений механических и теплофизических параметров ТЗП в результате тепловых циклических нагрузок, близких к условиям эксплуатации изделий. Более точное представление о процессах постепенных изменений в структуре и комплексе механических и теплофизических свойств ТЗП, скорости их протекания в условиях кратковременных теплосмен является определяющим фактором повышения надежности данного типа покрытий.

Высокая эффективность теплозащитных покрытий обусловлена, в основном, малым значением коэффициента теплопроводности, который должен оставаться максимально низким при долговременной работе покрытий. Поэтому важными и актуальными являются термоциклические испытания ТЗП в условиях, приближенных к реальным, поскольку они могут дать информацию об изменениях в микроструктуре ТЗП и свойствах покрытий.

В настоящее время проводятся интенсивные исследования по физическому и численному моделированию процессов, происходящих в

плазменных ТЗП. Важное место в этих исследованиях уделено анализу термостойкости и раскрытию механизмов разрушения покрытий в различных условиях теплового нагружения. Однако исследованию термостойкости ТЗП посвящено незначительное количество работ, которые связаны, главным образом, с поиском химических составов ТЗП, оптимальных с точки зрения подавления процессов спекания керамического слоя ТЗП.

В опубликованных результатах исследований отсутствуют данные о природе физико-механических и теплофизических процессов, происходящих в ТЗП при термической усталости, что не позволяет прогнозировать долгосрочное поведение этих покрытий в реальных условиях и, соответственно, затрудняет разработку технологических процессов нанесение на детали высококачественных ТЗП.

Внедрение в серийное производство на Казанском производственном моторостроительном объединении нового изделия - газотурбинного привода НК-38СТ для компрессора газоперекачивающей станции осуществляется с одновременным проведением комплекса научно-исследовательских работ, направленных на создание ряда прогрессивных технологических процессов, которые смогут обеспечить надежность и долговечность данного изделия.

Одним из направлений этой работы является повышение долговечности деталей камеры сгорания ГТД (наружного и внутреннего кожуха, форсунок) за счет замены эмалевых покрытий на плазменные теплозащитные покрытия на основе диоксида циркония.

Разработка технологического процесса нанесения плазменных ТЗП требует обоснованного выбора порошковых материалов для теплозащитного керамического слоя и подслоя ТЗП, условий напыления и последующей термической обработки. При этом одним из критериев оптимизации указанных факторов должны быть результаты испытания на термостойкость

ТЗП, в частности, в условиях т.н. «забросов» температуры, которые могут произойти в камере сгорания при нарушении стабильности горения топлива.

Работа выполнялась при поддержке фонда содействия малым формам бизнеса в научно-технической сфере (программа СТАРТ-06, госконтракт № 4224р/ 6625 от 26.06.06).

Целью работы является установление закономерностей деградации и разрушения плазменных теплозащитных покрытий на основе оксида циркония в условиях циклических тепловых нагрузок при наличии градиента температуры.

Задачи исследования:

• на базе созданного испытательного стенда разработать методику проведения испытаний на термоциклирование в условиях постоянного воздействия термического градиента по режимам, близким к эксплуатационным;

• исследовать поведение двухслойных плазменных ТЗП при циклических тепловых нагрузках;

• установить изменения, происходящие в микроструктуре и свойствах покрытий, и особенности разрушения ТЗП в зависимости от состава подслоя и толщины керамического слоя при циклических тепловых нагрузках;

с использованием результатов экспериментов построить физические и численные модели состояния ТЗП рациональных толщин, позволяющие разработать рекомендации по совершенствованию технологии их напыления на детали ГТД, применяемых в машиностроении.

Научная новизна:

1. Выявлены основные механизмы изменения функциональных свойств ТЗП и их разрушения в условиях циклических тепловых нагрузок, близких к эксплуатационным. Установлено, что под влиянием нестационарного

температурного поля в ТЗП возникает градиент механических свойств, вызванный процессами спекания, который с увеличением наработки ТЗП усиливается.

2. Научно обоснован рациональный диапазон толщин керамического слоя плазменных ТЗП, в котором процессы деградации протекают с низкой скоростью и не вызывают разрушения до 5000-6000 циклов термической нагрузки.

3. Предложены численные модели теплового и напряженно-деформированного состояния ТЗП, учитывающие состояние микроструктуры, теплофизические и механические свойства, которые позволяют конструировать ТЗП высокого ресурса.

Практическая значимость результатов состоит в том, что данные по характеру спеканию, окислению и разрушению ТЗП в процессе испытания на термостойкость, полученные при режимах, близких к эксплуатационным, позволяют осуществить научно - обоснованный выбор порошковых материалов, толщин для ТЗП, а также технологии их напыления.

По материалам диссертации представлены рекомендации для ОАО КМПО, которые использованы при разработке нового технологического процесса плазменного нанесения ТЗП на детали камеры сгорания изделия НК-38СТ.

Результаты диссертации вошли в состав отчетов о НИОКР по теме «Разработка и создание экспериментальной установки для испытания материалов и покрытий. Проведение комплекса исследований и испытаний теплозащитных покрытий на образцах» (госконтракт № 4224р/ 6625 от 26.06.06) и «Исследование структуры и механических свойств ТЗП с разработкой физических и математических моделей системы» (договор НЧ 205001 от 01.11.2006 г.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и

обсуждены на: 8-й международной конференции «Пленки и покрытия -

7

2007» (С-Петербург, 2007г); XV, XVI и XVII Международных молодежных научных конференциях «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ им. А.Н.Туполева, 2007, 2008, 2009 г.); 1У и V Международных научно -практических конференциях «Современные технологии ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (Казань, ОАО «Казанская ярмарка», 2008, 2010 г.); XX и XXIII Всероссийской межвузовской научно -технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, КВАКУ им. М.Н. Чистякова, 2008, 2011 г.); IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2009г.); V и VI - Всероссийской и Международной научно - технических конференциях «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» (Казань, КНИТУ-КАИ, 2009,2011 г.).

Автор выражает благодарность Ильинкову Андрею Владиславовичу, кандидату технических наук, доценту кафедры «Газотурбинные и паротурбинные установки и двигатели» КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева за научные консультации и помощь в подготовке и проведению теплофизического эксперимента.

Глава 1.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

В первой главе приводится обзор научно-технической литературы по результатам экспериментальных исследований термостойкости плазменных теплозащитных покрытий.

1.1. Назначение и методы создания ТЗП

Некоторые детали ГТД, такие как сопловые и рабочие лопатки турбины, стенки основных и форсажных камер сгорания, работают при температуре газового потока 1350°С и выше. Для обеспечения работоспособности деталей в таких условиях часть воздуха, поступающего от компрессора, идет на охлаждение, что снижает эффективность двигателя и увеличивает расход топлива. Для того чтобы снизить эти потери, на детали и узлы ГТД наносят теплозащитные покрытия.

ТЗП используются уже более 25 лет. В настоящее время они наносятся на детали практически всех двигателей гражданской авиации и большей части военной. Это позволяет улучшить качественные характеристики двигателей, уменьшить расход воздуха на охлаждение, сэкономить топливо, на 100 ... 150°С увеличить температуру газового потока. Одновременно повышается ресурс и надежность деталей, работающих при высоких температурах, снижается выброс вредных веществ, что обусловлено более полным сгоранием горючего. ТЗП одновременно защищают материал от окисления и воздействия высоких температур.

В основном, ТЗП работают при температурах 1000°С, с короткими забросами температур до 1100°С, предотвращая на 90% ползучесть жаропрочного материала. Эти температуры могут возникать в экстренных случаях, в частности, при нарушении воздушного охлаждения [1]. ТЗП может снизить температуру металла только при наличии в нем градиента

температуры по толщине стенки (Рис. 1.1). Как известно, детали без воздушного охлаждения приобретают, в итоге, температуру окружающих ее газов, даже если она защищена ТЗП. Таким образом, ТЗП может успешно

функционировать только при наличии охлаждения.

Керамический Подслой Основа

слой | .

^-

а) б)

Рис. 1.1 ТЗП (а), градиент температуры по толщине (б)

ТЗП обычно состоят из двух слоев, выполняющих различные функции. Внешний керамический слой из диоксида циркония обладающего низкой теплопроводностью, воспринимает тепловое, механическое и эрозионное воздействие газового потока. Под керамическим слоем находится жаростойкий слой (подслой), защищающий базовый металл от окисления и способствующий повышению прочности сцепления керамического слоя с основой.

По данным [126] ТЗП с 1963 года до начала 80-х годов применялись только в жаровых трубах камер сгорания. Эти ТЗП состояли из оксида циркония, стабилизированного окисью магния или окисью кальция, а подслой был выполнен воздушно-плазменным напылением. Рабочие температуры ТЗП на их основе не превышают 980°С.

Вторым поколением ТЗП стали разработанные в конце восьмидесятых годов покрытия состав Ъх02 - 8% У203 (8У8г). Он широко используется и в

настоящее время. Рабочие температуры такого покрытия не превышают 1090 °С.

ТЗП третьего поколения - EB-PVD-покрытия, полученные осаждением их в вакууме на поверхностях турбинных лопатках авиационных двигателей.

Первоначально в качестве подслоя напылялся на основной материал сплав Ni-Al. В дальнейшем для улучшения характеристик жаростойкости и адгезии подслоя в этот состав были введены хром и кобальт, а также иттрий. Таким образом, состав подслоя является многокомпонентным: Ni-Co-Cr-Al-Y.

Технически возможными способами нанесения ТЗП на детали камеры сгорания ГТД, имеющие большую площадь, можно считать способы газотермического напыления: воздушно-плазменного напыления (APS), высокоскоростного газопламенного напыления HVOF и плазменного напыления в жидкой фазе SPPS [3]. Последний способ является новым и не имеет еще промышленного применения в нашей стране. HVOF - метод более дорогостоящий, чем APS и практически не имеет преимуществ по качеству наносимых покрытий. Вакуумные методы напыления ТЗП (EB-PVD, VPS) не пригодны для напыления деталей больших размеров. Таким образом, плазменные ТЗП остаются наиболее распространенными, вследствие оптимального сочетания цены и качества (рис. 1.2).

APS HVOF VPS ' SPPS EBPVD

Технология Покрытия

Рис 1.2. Стоимость напыления покрытий различными способами

Однако нужно отметить, что APS - покрытия имеют пониженную долговечность в условиях теплосмен по сравнению с вакуумными покрытиями [105] (рис.1.3). Поэтому совершенствование этого типа покрытий по критериям термостойкости является актуальным.

APS

CVD

EB-PVD

SPPS

Рис.1.3. Долговечность покрытий нанесенных различными способами [105]

1.2. Обзор экспериментальных работ, посвященных исследованию термостойкости ТЗП

Исследование поведения ТЗП во время термических испытаний позволяет прогнозировать его характеристики при работе ГТД [4].

Термические испытания проводятся при режимах, близких к реальным режимам работы ГТД, при этом моделируется начало работы и остановка двигателя. Все режимы работы ГТД нельзя смоделировать одним видом термического испытания. Для этого применяют два или три вида испытаний. Каждый вид испытания обеспечивает определенный вид термического нагружения на детали с ТЗП.

Для нагрева образцов с ТЗП используют электрические печи, газовые

горелки, плазменные, лазерные установки, установки с форсунками, в

которых сжигается жидкое топливо, а в качестве моделей камер сгорания

применяют либо укороченные ци�