автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Основы развития и исследование вакуумно-дугового нанесения защитных покрытий на лопатки стационарных энергетических турбин

РГ6 од

ь ДЕК «96

Институт проблем машиноведения РАН

На правах рукописи

Буров Игорь Владимирович

ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ВАКУ УМНО-ДУГОВОГО НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ .НА ЛОПАТКИ СТАЦИОНАРНЫХ -------------------ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ. ГАЗОВЫХ ТУ РБИН

Специальность 05.02.08.- технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени '" -----кандидата -техни ческих наук

С.-Петербург 1996

Работа выполнена в Институте проблем машиноведения РАН.

Научный руководитель - доктор технических наук.

профессор И. С.Полипанов Научные консультанты - кандидат технических наук.

доцент В.П.Валуев - кандидат"технических наук, В. Г. Кузнецов

Официальные оппоненты - доктор технических наук.

профессор В. С. Клубникин " - кандидат технических наук, доцент Д. В. Васильков

Ведущее предприятие - АО НПО по.исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И.Ползунова

Защита состоится " 6~ " ^ е/ел 1996 г. в //> часов на заседании днссертационнбго совета К-064.82.01 Санкт- Петербургского института машиностроения по адресу: Полюстровский проспект д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-' Петербургского института машиностроения.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

В. Э. Хитрик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Тенденция к"постоянному росту температура рабочего тела газовых турбин с целью увеличения мощности и к.п.д. агрегатов приводит к тому, что основным Фактором, ограничивающим ресурс их работы, становится высокотемпературная газовая коррозия. Наиболее ответственными и нагружаемыми деталями газотурбинных установок являются лопатки турбины. Надежная работа газовых турбин в значительной мере зависит от работоспособности их лопаточного аппарата. Опыт эксплуатации ГТУ показал. что уровень температуры газов на входе в турбину аашклп в первую очередь от стойкости материала лопаток против коррозии. Основными материалами лопаток современных высокотемпературных газовых турбин являются жаропрочные сплавы на основе никеля. Повышение ресурса работы лопаток в настоящее время достигается как путем разработки охлаждаемых лопаток из существующих жаропрочных сплавов, так и путем защиты базового материала лопатки от воздействия активных соединений нанесением антикоррозионных покрытий.

Для обеспечения надежной работы покрытие на лопатке должно выдерживать действие растягивающих . изгибающих и вибрационных напряжений в условиях циклического изменения температуры. Воздействие этих напряжений происходит в агрессивной газовой среды, взаимодействующей с материалом покрытия. В настоящее время широко применяются покрытия типа МеСгА1У ( Ме-Со, Го, N1), часто модифицированные введением добавок: Sl.Ti.Pt. НГ. Та, и др. Покрытия П1СгА1У обычно используются для защиты деталей газовых турбин от окисления при температурах свыше 900° С. Покрытия СоСгА1У применяются в диапазоне температур 700 - Э00°С. Покрытия ГеСгА1У перспективны для защиты от коррозии при температурах ниже 700°С. . Существует, однако, прямал связь между свойствами покрытия и методом его нанесения. Поэтому создание покрытий всегда связано с разработкой или модификацией процесса их формирования.

В последние годы существенно повысились требования к уровню жаропрочности и сопротивлению высокотемпературной коррозии.

- г -

стабильности структуры и свойств..материалов, используемых в качаете покрытий на лопатках газовых турбин. Решение этих задач невозможно без внедрения принципиально новых технологий.

К числу методов, обеспечивающих получение покрытий с высокими эксплуатационными свойствами, относится метод вакуумно-дуго-вого испарения. В данном методе наносимый материал переводится в плазменное состояние, плазма фокусируется в поток и направляется к покрываемым изделиям, где происходит осаждение защитного слоя за счет конденсации ионов из плазмы, дополнительно ускоренных электрическим полем подложки. Одно из существенных достоинств метода заключается в формировании покрытий с более высокой адгезионной прочностью и плотностью, чем покрытия. Формируете традиционным электронно-лучевым методом.

Каждый метод нанесения имеет собственные преимущества и недостатки. ограничивающие область его применимости. Расширение этой области достигается путем целенаправленного использования возможности влияния на структуру и свойства покрытий выбором основных параметров процесса осаждения.

Данная работа посвящена исследованию комплекса вопросов, связанных с процессом формирования покрытия и изучению физико-механических свойств полученных покрытий применительно к лопаткам стационарных энергетических газотурбинных'установок.

Цели и задачи работы. Целью настоящей работы является проведение комплекса исследований и разработка основ технологии ва-куумно-дугового нанесения антикоррозионных покрытий, обеспечивающих повышение срока службы лопаток стационарных энергетических газовых турбин.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать технологический процесс ионной очистки поверхности лопаток турбин и выделить основные факторы, влияющие на его эффективность;

- разработать элементы технологии осаждения антикоррозионных защитных покрытий и исследовать их Физико - механические свойства;

разработать технологию восстановительной обработки лытп.к с вьфаботавшим ресурс покрытием применительно к возможностям вакуумно - дуговой техлолопш.

Научная новизна

- для технологического процесса очистки поверхности поцлолпк плазмой вакуумяо-дугового разряда установлено взшшкоьпзь с;ко рости распыления поверхности с темпс-ратурой полложки и дянлопи • ем газа в вакуумной камере;

- выявлена взаимосвязь структуры поверхностного спои <;ыл АГ|; и Т1 покрытий, формируемых методом вакуумно-дуговиго осаждения с температурой, потенциалом подложки, плотностью ионного тока и давлением газовой среды;

- на основании исследования процессов транспортировки и осаждения продуктов эрозии катода установлены закономерности ионного травления подложки в зависимости от температуры катода,"

- для упрощенной физической модели нагрева подложки ионным потоком с учетом планетарного движения получены аналитические зависимости, позволяющие связать ее температуру с технологическими параметрами обработки.

Практическая ценность

1. Разработаны технологические рекомендации по проведению ионной очистки лопаток стационарных энергетических ГТУ перед нанесением покрытия при температурах ниже температуры фазогых переходов, что позволяет в ряде случаев отказаться от дорогостоящих технологий восстановительной термической обработки и диффузионного отжига.

2. Определены научно-обоснованные технологические режимы для реализации процесса восстановительной обработки лопаток ГТУ по удалению отработанного покрытия вакуумно-дуговык методом. Использование данного метода позволяет устранить экологически несовершенный и низкопроизводительный процесс химического травления.

3. Разработаны основы технологии нанесения коррозионно стойких покрытий на лопатки стационарных энергетических ГТУ мето--

дом вакуумно-дугового осаждения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- всесоюзной конференции " Современное электротермическое оборудование для поверхностного упрочнения ". Саратов, 1990,.'

- четвертой конференции молодых ученых и специалистов ЛФИМАШ Научные проблемы современного машиностроения". Л. 1990,'

- семинаре " Поверхностный слой, эксплуатационные свойства деталей машин и приборов". М. 1991'

- международном семинаре " Газотермическое напыление в промышленности". С-Петербург> 1993;...

- первой международной конференции по модификации свойств поверхностных слоев неполупроводниковых материалов пучками частиц. - Украина, Сумы, 1993;

- втором собрании металловедов России. Пенза, 1994,'

- секции С-Пб инженерной академии "Ионно-плазменные и (смежные с ними технологии". С-Петербург, 1995/

-международной конференции по металлургическим покрытиям и тонким пленкам.- Сан-Диего, США, 1995.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ.

Реализация и внедрение результатов. Результаты диссертационной работы внедрены и используются в АО ЛМЗ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 92 наименования. Основная часть работы изложена на.139 листах машинописного текста. Работа содержит 41 рисунок и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано общее состояние проблемы защиты лопаток турбин от коррозии, обоснована актуальность темы диссертационной

работы, сформулирована цель исследовании.

В первой главе, носящей обзорный характер, ра^им» пн-иы нопр.> сы, связанные с нанесением антикоррозионных покртии пг'щими принципами их защитного действия и технологией вакуумнп пуганого осаждения.

Наносимые на детали ГТУ антикоррозионное ппкрития ппппплпг.т существенно повысить срок службы лопаток турбин, в г^риг.пм.-нпи от состава наносимого покрытия и метода его формирования ресурс работы лопаток может возрастать в 2 4 раза, в работе спи саны наиболее часто применяемые технологии формириилнпм защит ных слоев и составы покрытий. Показаны преимущества методов, основанных на нанесении в вакууме на подложку сплавов с высоким собственным сопротивлением коррозии, по сравнению с методами, изменяющими состав и (или) микроструктуру материала подложки ( диффузионные методы).

Рассмотрены основные принципы вакуумных технология : электронно - лучевой, ионно-плазменной. Вакуумно-дугоноП метод о^те дения, входящий в группу ионно плазменных методов, характерна ется широкими возможностями обработки подложки - очистка оп поверхности с целью повышения адгезии, управлении температурой осаждения и составом покрытия. В режиме ионной очистки происходит распыление поверхностного слоя подложки ионами материала катода. На скорость этого процесса оказывают влияния такие Фак торы, как состав материала подложки, ее темияратура. состав и энергия плазменного потока, давление газовой среды в вакуумной камере. Реализация ионно-плазмепиых технологических протше^оп открывает качественно новые возможности в технологии получения покрытий. Возможность регулирования энергии плазменного потока в процессе конденсации позволяет получать различные структуры конкретного материала - от аморфных до кристаллических, при чем размеры, Форма кристаллов и их текстура ( ориентация грч ней) меняются в зависимости от энергии потока.

Приведен краткий обзор ряда работ Пескова 0. !'.. Кузнецова В. Г.. Рыбникова Л. И., ГецоваЛ.Б., Эйзнера П. Д.. Малашпнко И. С., Мубояджяна С. А. отражающих современное состояние вопросов нанесения антикоррозионных покрытий для защиты лопаток тур-

бин. Имеющиеся в литературе данные указывают на недостаточную изученность физических процессов, протекающих при взаимодействии плазменного потока с подложкой.

Представленный обзор дает возможность выделить следующие проблемы, связанные с технологией вакуумно-дугового нанесения покрытий:'

- при нанесении наиболее часто используемых антикоррозионных покрытий системы МеСгА1У возникают трудности, связанные с обеспечением соответствия состава покрытия составу катода, что обусловлено различной скоростью испарения компонентов сплава, разной химической активностью элементов и другими факторами. Это обстоятельство приводит к необходимости исследования влияния параметров процесса осаждения на свойства формируемого покрытия.

-для образования стабильных во времени и по свойствам покрытий необходимо учитывать, что процессы осаждения покрытия и его распыления протекают параллельно. Соотношение между их скоростями задается выбором технологических режимов и определяет толщину нанесенного слоя и его свойства. Проведенный анализ литературных данных позволил сформулировать задачи, которые необходимо решить в диссертации.

Вторая глава посвящена описанию материалов, оборудования и методики исследований, использованных в работе для реализации технологического процесса нанесения антикоррозионных покрытий и восстановительной обработки лопаток турбин.

Работа проводилась на вакуумно-дуговой установке типа ВУ2-МБС. Вакуумная камера была оборудована четырьмя испарителями, способными работать как по-отдельности, так и одновременно. Для расширения .технологических возможностей оборудования применительно к поставленным в работе задачам была проведена модернизация установки:

- два горизонтально расположенных штатных испарителя были заменены торцевыми холловскими плазменными ускорителями (ТХПУ). разработанными в ИГШДШ РАН для нанесения антикоррозионных покрытий на лопатки турбин. Использование ТХПУ позволило в одном технологическом цикле наносить покрытия толщиной 80-100 мкм и

с однородностью по толщине в пределах

- установлен водоохлаждаемый держатель подложек для промем; ния исследований по влиянию температурного режима подложки на процессы осаждения и распыления покрытий,

- в электрическую схему установки внесены изменения, дшощие возможность проводить очистку подложек плазмой тлевшего разряда и позволяющие регулировать скорость движения шпж-гярнш о механизма.

Вакуумная система обеспечивала достижение рччрячгония до 1-Ю"3 Па. Подача реакционных газов в камеру производилась при помощи натекателей, позволяющих регулировать давление в диапазоне 1-Ю"3 -2-10"1 Па. Камера снабжена планетарным механизмом движения, установленном на электроизолированном вводе, что позволяло подавать на подложку отрицательный потенциал. В режиме ионной очистки величина потенциала была постоянной и равнялась 1000 В. В режиме осаждения потенциал регулировался в диапазоне 0-225 В.

В качестве катодов вакуумно-дугового испарителя в работе но . пользовались следующие материалы:

1. Сплав СДП11: Со; N1 0,5%; Сг 27-29%; А1 4-6%

2. Сплав ЭИ-868: N1; СГ 23-26%; W 13-16%; А1 0.3%; TI 0,3 0.7У

3. Сталь 10Х18Н9Т

4. Титан марки ВТ1-0

Измерение плотности ионного тока разряда производилось пере -мещаемым по камере плоским зондом площадью 4 см2 и шшшндри-ческим зондом площадью 2 см2.

Скорость осаждения покрытий определялась расчетом на основ" результатов взвешивания подложки до и после обработки в плазме разряда. Контроль точности метода осуществлялся измерением толщины покрытий на поперечных шлифах подложек. Адгезионные, коррозионные и термоусталостные испытания защитных покрытий проводились на подложках из сплава ЭИ - 893 (N1; Сг 15-17« ; W 8-ins: Т1 1,2-1,6%; А1 1,2-1,6%; Мо 3,5-4,5%). используемого для из готовления лопаток турбин.

Исследования структуры, фазового, химического состава нокпы-тий и коррозионные испытания проводились в в соответствии с об-

¡непринятыми методиками, используемыми для покрытий на лопатках турбин.

В третьей главе изложены результаты исследования условий формирования и транспортировки потоков металлической плазмы, генерируемой вакуумно-дуговым испарителем,применительно к технологическим задачам, поставленным в-работе.

Выбор исспедуемых материалов катодов определялся из необходимости решения задач подготовки поверхности подложки к нанесению покрытия (ионная очистка) и собственно, нанесения защитного слоя. Для проведения ионной очистки предложено использовать титановый катод , целесообразность применения которого обоснована в пятой главе . В качестве защитных покрытий в работе применялись хорошо зарекомендовавшие себя сплавы СоСгА1У и ШСгИП.

Температура катода вакуумно-дугового испарителя определяет состав генерируемой им плазмы - среднее зарядовое число ионов, соотношение между ионной , нейтральной и капельной фракциями и тд. Это в свою очередь оказывает влияние на протекание процесса ионной очистки и осаждения покрытия.

Температура катода определялась как непосредственными измерениями термопарой, зачеканенной у рабочей поверхности, так и путем расчета баланса мощности. Методом зондовых измерений были определены зависимости величины ионного тока, извлекаемого из разряда, для Т1 и СоСгАП катодов от температуры катода.

Установлено, что с ростом температуры катода в диапазоне 20 - 700°С ионный ток увеличивается в 1,1-1,2 раза. При этом происходит одновременный рост количества капельной составляющей плазменного потока в 2,5 - 3 раза.

Капельная Фракция, осаждающаяся на обрабатываемой поверхности в режиме ионной очистки, снижает интегральную скорость распыления подложки. Показано, что длительность процесса ионной очистки можно сокращать путем регулирования температуры катода. Получено выражение, связывающее время I, необходимое для распыления слоя поверхности толщиной й, с величиной тока дугового разряда Г и толщиной катода Н:

1-Н/У([.Н)/ (1)

гдр '/(¡,11) - скорость распыления"поверхности. Вид функции V оп-

б/йо (отн.ед)

рп (см)

Рис.1.Зависимость параметра с1Л10от расстояния мстду подложкой и осью плазменного потока: 1 - в рстш^ оезкдоти покрытия; Р. - в режиме ряспнлрцнп подложки

ределеи на основании полученных, экспериментальных зависимостей количества ионной и капельной фракций от температуры катода.

Как известно, основное количество капельной фракции, генерируемой стационарной вакуумной дугой, движется под малыми углами к рабочей поверхности катода. Это приводит к возникновению пространственной неоднородности состава плазменного потока. Установлена взаимосвязь между пространственным распределением продуктов эрозии катода и скоростями осаждения покрытия и распыления подложки.

При решении поставленной задачи нанесения покрытия на крупногабаритные лопатки ГТУ определялась связь между геометрическими размерами подложки, ее положением по отношению к катоду и параметром однородности по толщине й/с30 нанесенного или распыленного слоя. Здесь (50 - толщина нанесенного ( распыленного ) слон на оси плазменного потока; с! - толщина слоя в исследуемой точке. На рис.1 приведены зависимости параметра с1Л1в от положения подложки по отношению к оси плазменного потока. Как можно зашпочить из хода кривых область равномерной обработки подложки (т.е. геометрический размер плоской подложки, на котором толщина нанесенного или распыленного слоя различается не более, чем на 20% ) в режиме ионной очистки приблизительно в 1.5 раза меньше, чем в режиме осаждения за счет обогащения периферической части плазменного потока капельной фракцией.

Полученные данные позволяют определять длительность процесса ионной очистки и равномерность обработки поверхности лопаток турбин на основе выбора технологических режимов работы катода впкуумно-ду1 ового испарителя и геометрических размеров- лопаток.

Чет вертая глава посвящена исследованию условий осаждения покрытий и распыления подложек плазмой вакуумно-дугового разряда.

Мощность, выделяемая на подложке в режиме ионной очистки, приводит к ее разогреву, что требует решения вопроса о влиянии температурного режима подложки на процесс ее распыления ионным потоком.

Температура подложки в режиме ионной очистки определялась

как экспериментально с использованием термопари, так и теоретически из расчета баланса мощности. Были исследованы подложки с нанесенными слоями титана и сплава СДП - 11 , распыляемые плазмой Ti и СДП - 11 катодов соответственно. На рис.2 приведены полученные зависимости скорости распыления от температуры подложки для исследованных материалов. Как можно заключить из хода кривой 2. рост температуры подложки с Т1 покрытием приводит к росту скорости ее распыления. При температуре подложки ниже Ткр процесс распыления прекращается.

Таким образом, при использовании Т1 катода для проведения ионной очистки лопаток турбин, необходимо, чтобы температура их поверхности превышала Ткр. В противном случае на неочищенной поверхности будет происходить конденсация Т1 покрытия.

При исследовании поверхности обрабатываемы^ подложек установлена взаимосвязь между температурой подложки, при которой проводится ионная очистка, и микрорельефом поверхности. Рост температуры подложки с Т1 покрытием приводит к уменьшению количества капельной фракции на ее поверхности вплоть до практически полного исчезновения при превышении температуры полиморфного перехода.

Па взаимодействие плазменного потока вакуумно-дугового испарителя с подложкой существенное влияние оказывает газовая среда в вакуумной камере. Высокая степень ионизации продуктов эрозии катода создает благоприятные условия для их взаимодействия с остаточными (реакционными) газами.

В работе исследован вопрос влияния давления газовой среды ( Ar, 0г, Иг,остаточные газы) в вакуумной камере на процесс ионной очистки. Установлено, что при давлениях 0Z, Nz и остаточной атмосферы более 1- 1СГг Па распыление подложки прекращается и происходит осаждение покрытия, являющегося результатом протекания плазмохимических реакций между продуктами эрозии катода и газовой средой (рис.3). Скорость осаждения покрытия зависит от состава и давления газовой среды. Таким образом, ионная очистил эффективна лишь при давлении газовой среды менее 8-10"--1-10"г Па.

Представляют интерес состав и свойства покрытия, образующего-

V (мкм/мш)

Рис.2. Зависимость скорости распыления от температуры для подложек из СДП - 11 (1) и Т1 (2) плазмой СДП - 11 и Т1 катодов соответственно

азоте

ся за счет протекания плазмохимических реакций в режиме ионнои очистки. Выли исследованы покрытия толщиной 15 - 20 мг.м. осажденные из плазмы Т1 катода в следующих режимах;

- ток дугового разряда 100 А; ускоряющее напряжение на подложке -1000 В; давление кислорода 2-Ю'М^'

- ток дугового разряда 100 А: плавающий потенциал подложки; давление кислорода 2-10"'Па,

Определен состав, структура и скорость осаждения формируемого покрытия, что позволило сделать следующие выводы:

- оба режима обработки подложки приводят к формированию Т10г покрытия. Скорость осаждения покрытий одинакова,*

- покрытие, полученное при плавающем потенциале подложки, имеет структуру анатаза. Поверхность покрытия рыхлая и шероховатая/ .....

- при ускоряющем потенциале подложки 1000 В полученное покрытие соответствует структуре рутила. Поверхность покрытия плотная и гладкая.

Показано, что при росте давления газовой среды в вакуумной камере происходит падение ионного тока разряда, более сильное в кислородной атмосфере, чем в атмосфере азота и аргона.

Величина отрицательного смещения на подложке определяет физические процессы, протекающие при бомбардировке ее поверхности ионным потоком. В зависимости от энергии ионов возможна либо их аккомодация на подложке и рост покрытия, либо распыление обрабатываемой поверхности.

При исследовании осаждения покрытия получены зависимости скорости осаждения от величины отрицательного смещения на подложке. Показано, что в случае осаждения СоСгА1У сплава при потенциале подложки свыше 200 В покрытие не образуется и происходит распыление подложки. Получены зависимости скорости осаждения покрытий от потенциала для плоских и циллиндрических подложек.

Результаты данных исследований позволяют проводить выбор режимов ионной очистки и осаждения покрытий путем задания основных технологических параметров - силы тока дугового разряда, отрицательного смещения на подложке и давления газовой среды.

Пятая глава посвящена разработке технологических процессов

нанесения антикоррозионных защитных покрытий. Для проведения восстановительной обработки лопаток ГТУ с выработавшим ресурс покрытием предложена технология удаления старого покрытия ваку-умно-дуговым методом с последующим нанесением нового покрытия в одном технологическом цикле.

Наличие режима ионной очистки позволяет использовать вакуум-но-дуговую технологию не только для целей нанесения новых покрытий, но и для стравливания старых путем распыления поверхности подложки ионным потоком.

Необходимым требованием к процессу травления являются его высокая производительность, дешевизна и доступность катодных материалов. Применительно к данной задаче в качестве катодов использовались следующие материалы: Т1 марки ВТ1-0, сплав СДП11, сталь 10Х18Н9Т.

Проведено измерение скоростей распыления антикоррозионных покрытий CoCrAlY, NICrWTi и сплава ЭИ - 893, применяемого для изготовления лопаток турбин. Показано, что использование титанового катода обеспечивает наибольшую скорость распыления покрытий при минимальном отношении скоростей распыления материала лопатки и материала покрытия. Последнее обстоятельство позволяет избежать сильного растравливания лопатки в местах нарушения оплошности покрытия.

Дополнительным аргументом в пользу выбора титана в качестве материала для распыления выработавших ресурс покрытий является возможность формирования антидиффузионного слоя TIN непосредственно сразу после удаления старого покрытия. Как известно из литературы, использование тонкого, слоя TIN. нанесенного на лопатку, позволяет повысить срок службы основного антикоррозионного покрытия.

Показано, что использование режима ионной очистки позволяет производить распыление CoCrAlY и NICrWTi покрытий, применяемых для защиты лопаток турбин, и. обычно, имеющих толщину порядка 100 мкм.

С целью избежания изменения структуры материала лопатки при нагреве, сопровождающем процесс распыления, необходимо поддерживать ее температуру на заданном уровне. Это может быть до-

стигнуто регулировкой технологических параметров процесса - в

первую очередь тока дугового разряда.

Для расчета температуры подложки с учетом планетарного движения предложено выражение, основанное на измерениях распределе ния ионного тока в объеме камеры и экспериментальных измерений температуры неподвижной подложки Т, находящейся в зоне А - на минимальном расстоянии от катода:

4 / -р 4 т

ттахплан - тАэкс1/а+(1-а)(р + (1 р)---): а - ------ , (2)

Та у.

где а-скважность планетарного движения (т„- время нахождения подложки в зоне А; Т1-время нахождения в остальной части камеры); р- отношение ионного тока разряда в зоне А и среднего тока в остальной части камеры. . ...

Выражение, связывающее ток дугового разряда 1„, необходимый для поддержания температуры подложки на заданном уровне Т„ ниже температуры Фазового перехода, имеет вид :

/ Т \ 4 I ПС

'н I -1д

1„ ---- • --------, (3)

где 1АЭКС - экспериментально измеренный ток дугового разряда.

Одно из основных преимуществ предложенного метода удаления старого покрытия заключается в том, что на полученную атомно чистую поверхность лопатки, без открывания вакуумной камеры возможно нанесение нового антикоррозионного покрытия. Таким образом, исключается окислительное"действие открытой атмосферы на поверхность лопатки г.асле удаления старого покрытия.

На основе полученных результатов предложенным методом была проведена восстановительная обработка 3 рабочих' лопаток газовой турбины ГТ - 100. Лопатки с'электронно - лучевым покрытием состава СоСгЛ1У толщиной 80 - 100 мкм обрабатывались одновременно в одном цикле. Тол»(ина удаленного слоя изменялась на различных участках лопатки от 80 до 50 мкм.

В связи с поставленной в диссертации задачей по нанесению ан-

тикоррозиошшх защитных покрытий на лопатки турбин, рассматривался вопрос влияния режимов осаждения на структуру и свойства покрытий. Были проведены исследования следующих покрытий:

1. Вакуумно-дуговые покрытия СоСгА1У,111СгЭТ1.

2. Комбинированные двухслойные покрытия: первый слой электронно-лучевого покрытия СоСгАП , второй слой - 1ЛСгДОТ1 вакуум-но-дуговое покрытие. Необходимость исследования покрытий данного типа определялась результатами, полученными при удалении выработавших ресурс покрытий: на отдельных участках поверхности лопаток покрытие удалялось не полностью.

покрытия толщиной 50-100 мкм наносились на образцы для испытаний коррозионной долговечности,. термической усталости и адгезионной прочности. Отмечено различие составов покрытия и катода. в частности, более высокое содержание хрома в покрытии и сниженное содержание алюминия. Приведены результаты исследований структуры, коррозионных и механических свойств систем СоСгАП и Н1СгМТ1, нанесенных при различных параметрах осаждения.

В работе ставилась задача определения возможности исключения из технологического цикла термической обработки, применяемой для электронно - лучевых покрытий с целью повышения прочности сцепления с подложкой. Было определено влияние режимов термической обработки на фазовый состав и микротвердость вакуумно-.дугобых покрытий. Установлено, что термическая обработка подложек после нанесения защитного слоя незначительно влияет на коррозионную стойкость покрытий по сравнению со стойкостью покрытий без термообработки. Во всех случаях отмечалась высокая адгезия покрытия к основе.

Обработка комплекса экспериментальных данных по испытаниям нанесенных покрытий позволяет сделать вывод о высоких эксплуатационных свойствах вакуумно-дуговых покрытий, сравнимых с электронно-лучевыми.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Определены основные технологические режимы ионной очистки подложек, учитывающие температуру катода, состав и пространственное распределение генерируемой им плазмы, температуру подложки и давление газовой среды для различных катодных материалов. Использование полученных экспериментальных зависимостей позволяет сократить время процесса очистки.

2. На основании анализа закономерностей распыления поверхности подложки разработана технология восстановления выработавших ресурс покрытий лопаток ГТУ. В отличии от известных, данный метод не требует дополнительного оборудования и позволяет последовательно проводить удаление старого и нанесение нового покрытия в непрерывном процессе.

3. Разработаны технология нанесения коррозионно-стойких покрытий для лопаток ГТУ методом вакуумно-дугового осаждения, позволяющие избежать использования восстановительной термообработки и диффузионного отжига.

4. В ходе работы обнаружен ранее не исследованный метод формирования Т10г покрытия, соответствующего структуре рутила. Сущность метода состоит в осаждении плазмы Т1 катода на подложку при напряжении смещения -1000 В и давлении кислорода 1-Ю"1 Па.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Андреев В.А., Буров И.В., Песков О.Г. Исследование механических свойств износостойких покрытий, осажденных методом КИБ// Соврем.электротерм, оборуд.для поверхн.упрочнения: Тез.докл.Все-согоз.конф.-Саратов,1990.

2. Андреев В.А., Барченко В.Т., Буров И. В. Осаждение износостойких покрытий методом КИБ с использованием ускорителей плазмы// Соврем.электротерм, оборуд.для поверхн.упрочнения: Тез.-докл. Всесоюз. конф. -Саратов, 1990.

3. Буров И.В., Рыбников С.И.Особенности технологии вакуумно

- дугового нанесения многокомпонентных коррозионно - стойки покрытий на лопатки ГТУ// Науч.проблемы совр.машиностроения Тез. докл.4 конф. молодых ученых и спец.ЛФИМАШ.-Л.1990.

4. Березин В. А.. Буров И. В.. Иванов А. А. и др.Исследовани коррозионной стойкости никелевых сплавов с плазменным защитнь покрытием системы CoCrAlY// Там же.

5. Буров И.В., Кузнецов В.Г.. Рыбников С.И. и др.Особенност технологии вакуумно-дугового нанесения многокомпонентных' пок рытий// Поверхностный слой, экспл. св-ва деталей машин и прибс ров: Тез.докл. сем. -М. 1991.-с. 4.

6. Буров И.В.. Кузнецов В.Г.. Рыбников С.И.и Д]?.Свойства пок рытий,полученных технологией вакуумно-дугового нанесения и многокомпонентных сплавов// Поверхностный слой, экспл. св-в деталей машин и приборов: Тез. докл. сем. -М. 1991. -с. 5.

7. Буров И.В., Валуева Т.В.. Кузнецов В.Г.Получение плазмен ных покрытий с, высоким сопротивлением высокотемпературной хло ридно-сульфидно-оксидной коррозии: В сб. втор.собрание металло ведов России.-Пенза. ПДНТП,1994. с.64-66

8. Буров И.В.. Валуев В.П. Кузнецов В.Г. и др. Защитные пок рытая для лопаток' газовых турбин формируемые технологией ваку умно-дугового нанесения: В сб." Напыление и покрытия - 95" СПб. 1994'

9. Буров И.В.. Валуев В.П.. Кузнецов В.Г. и др.Повышение на дежности турбинных лопаток методом вакуумно - дугового нанесе ния покрытий// Сварочное производство. 5(726).1995. с.13-16.

10. Буров И.В.. Валуев В.П.. Валуева Т.В. и др. Высокотемпе ратурная.коррозия CoCrAlY покрытий в продуктах сгорания тяже лых топлив: В сб. " Нов. конструкционные стали и сплавы и мето ды их обраб. для повыш. надежности и долговечности", Запорожье 1995, с.46-47

И. Burov I.V.. -Kuznetsov V.G., Leontiv S.A.. Rybnlkov АЛ Structure and properties of protective coatings produced b; vacuum arc déposition// Surface and Coatings Technology. 76-77, 1995, p. 41-46.

tbn.bvuufa y /us. m tt/f-Si