автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка и исследование комплексных защитных покрытий жаропрочных никелевых сплавов

Пермский политехнический институт

Для служебного пользования ■

Экз. &_££

На правах рукописи

^ Д/ШИ

Стеткин Виктор Александрович

УДК 669.245:621.таЗ.1.533.9

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСНЫХ - ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ Ш^ПЮЧНЫХ'НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.02.01 - Материаловедение в машиностроении

Автореферат

диссертации ка соискание' ученой степеяя кандидата технических наук

/

Л-

Работа вмюлйена 5' Уральском ордена Трудового, Красного Зшмгии полйтехаическом институте в». С.М.Кирова

Научный руководитель - доктор технических наук

ВЕКСЛЕР Ю.Г. •

Сфщаалькке оппоненты - доктор чехнтесглх наук

КУСИН Р.К.;

кандвдаг технических каук ЕМЕЛЬЯНОВ-А.А. -

Вэдушее предприятие - Пермское производственное объединение "Моторостроитель"

Направляем Вам для ознакомления автореферат длссерташи научного сотрудника Стяяклна В,А. Просим привить участив в заседали спецяалкзирсвапяого совета ила прислать сео2 отзнвн (I экз., заЕеренний печать») по адресу:614000 , г.Пермь. ШШ, учовону секретарю свепсоЕета ШешеиноЕ МЛ1.

Зааита состсг.гся 1991 г. ва заседаний

спегяадпзярсЕаннсгс совета (К 063.66.06) Псрмсксго псяетсхед-ческсго Еястйгуга.

(

Автореферат' [аз с ела а "_" 1931 г.

секретарь спегааетзирсваааого созета,' какдадаг ?ех.чгческЕ£ наук

шипа м.и.

ОЕЕАЯ ХАРАКТЕРЕ-США РАБОТА

Актуальность проблей;. Для повкиенют коэффициента полезного действия, эффективности и технических характеристик современных газотурбинных двигателей (ГТД) необходимо повшенке теютературы газа перед входом в турбяяу. Повыиевие температуры газа с иатэ-, ряалсЕедческсй течки зрения реализуется как путем применения но-ек жарспрочних сплагоа а технологий их изготовления, так и разработкой лопаток с улучсеяной системой охлазщения. Б настоящее время при разработке сплавов имеется тегденшш к с/жжению содержания хрома, что сопровождается паданием жаростойкости сплавов и выдвигает высокие требования к эф$ехтианоста заизтннх покрытий. Повысйние прочностных характеристик и пластичности сплавов, а таете использование лопаток, п случае 1.шх методами высокоскоростной направленной кристаллизации я мовокрястальвого литья,привело разработчиков к поиску многокомпонентных покрытий для яаругшх поверхностей лепет ок, а той -числа покрытаЗ с истеки т-Сг-а-г , Эта покрытая отличается ¿елее бясокоЭ пласткчкссгьв, стойкостьи к термоусталости, хотя и проигрывают в гаростойкоств серийным алшинщинм покрытиям. Поэтому весьма актуальна проблема вовивэ-вля долговечности я стабильности таких покрытий в процессе зке-пдуагагшн. В услонаях сненэвял жаростойкости основного материала и повышенных тешеразур йэ менее важясэ зяаченвэ приобретает занята от окисления г поверхности внутренних капался вездухоохлаждаемых лопаток. Эта проблема достаточно серьезна я введу постов явного услсяненш свстегш охлазденкя лепете:;.

Тагам образом, з наотоялее громя пазрэла пеобжодшевта индивидуального подхода ж разработка яократвй дая кенкретпнзг дола-» ток, который предусматривает учет тадего ряде факторов! матераал а ковструкхия лопатки, условия экшмуагаша, тадагсйаг&ужэвясоть

двигателя а др. ....

3

Нелыа работы является повышение защитных свойств и долговечности покрытий сисгеш Й1-Сг-Д1-У к создание на их основе комплексных спечем защити аоздухооклаядаеыых лопаток ГТД.

Для достижения поставленной цэлк в работе били поставлены и решены следующие задачи:

.I. Исследование структурных и фазсвих превраквняЗ в конденсированном покрытии системы №-Сг-Я1.-Т , полученных по вакуум-яо-плазиеняоЗ техяолохил нон'ов высоких энергий (ВПТВЭ), и опенка его закатных свойств.

2. Обоснование спссобов псвышения долговечности покрытая снстеш путем увеличения термической стабильности структуры занятного слоя и повышения жаростойкости внешних слоен покрытия.

3. Разработка раяшов нанесеаяя кошшекеннх защитных покрытий №М- (САЛ-2) и ШШ-М. (АЛС-2) на рабочие лопатка ГТД. А такаэ разработка способа повыпензя запатнкх свойств и долговечности покрытия АЛС-2 в коррозиснЕо-актинной среде.

4. Изучение влияния разработанных способов повышения долговечности га структуру, состав и свойства покрытий, а такие сцен-га влияния кек-шзкеяых покрытий яа свойства сплавов ЕС6У и ЕС26.

5. Сравнительная сценка повреждаемости применяемых и разработанных а данном исследовании покрытий на рабочих лопатках I и В ступеней в условиях, моделярушшс реальную эксплуатацию.

На защиту вкаосятся:

1. Закономерности. структурных и фазовых, превращений а системе конденсированное покрцгае-сплав в интервале температур дж'Ду-засязого ствдга 500-ЦС0оС 2 прк дастедьных выдержках а течзнке 300 и 1000 пасов.

2. Способ у Ее лйчэяая долговечности а структурной стайильно-

с?я базового пскрцтигг СДЛ-2,■ полученного методом БПТЗЭ, путей введения барьерного -слоя.

3. Способ повышения стойкости к газовой коррозии базового покрытия СДП-2 путем осеменения диффузионного отжпга конденсата с хикико-термкчеекой обработкой.

4. С сковные закономерности структуршх и фпзсзых претратэ-киЯ з комплексных покрытия?, при длитэльвих Ексокстегшературнш: ЕЫдеру-чах.

5. Результаты определения долговечности к теретческой стабильности комплексных покрытий САЛ-2 и АЛО-2 на рабочих лопатках Т и Л ступени после дательшгх натурных испытаний.

Научная, новизна

Установлен характер рекомбинации структур« покрытия СДД-2 при наличии акгкгкнх факторов на поверхности и границе раздела.

Разработана методик качественной оценки фазовой стабильности зоны взаимодействия псхрятяя ЖСгйУ — жаропрочный сплав на основа кет ода РНАСО'с?.

Научно обоснована дозмсзвссть применения сплстюх слоев нн-тер.чйталлиднкх фаз система №'1 з гзчестне барьерного слоя для покрытий «а лгкелевих яэродрошяс ашяах.

Показано, что барьерный слой в разработанном комплексном покрытии САЛ-2 меняет характер взаимодействия сглаза и покрытия, что приводит к увеличению структурной стабильности последнего.

Изучены закономерности структур шх я фазонлс аре врага ня8 в комплексных покрытиях при дайорагорнь'х я яагуршя испытаниях.

Установлено, что введанке циркония в состав пастагваз? смеси при получении покрытия АЛС-2 дозволяет повысить коррозиоязув стойкость последнего при наличии в составе продуктов сгорания морокой соля.

Дамуиаабкая.значимость и эеатазащц результатов работы.

Рвзуяьта?В £1Ш0ШН№Х в работа исследований расширяют

Ь

яредстааяенля о характере окисления и повреждаемости многокомпо-нектккх защитных покрытий и приманены для разработки способов создания высокоэ|)фектиЕных комплексных покрытий.

На основе предложенных способов поекшэния долговечности-покрытия №СгАЧ (СДП-2) разработана технология получения комплексных покрытий САЛ-2 и АЛО-2. Предложена модификация покрытия АЛС-2-1ЩС для применения в коррозионно-актинной среве.

Выявлены зависимости характера окисления комплексных покрытий АЛС-2 и САЛ-2 от услогиЗ эксплуатации на разных ступенях рабочих лодаток турбины.

Практически вааныы итогом работы являются положительные результаты длительных испытаний рабочих лопаток I и П ступени с разработанными покрытиями а составе изделий.

Комплексные защитные покрытая приняты к использованию для рабочих лопаток I и П ступени двигателя ПС-90А. Годовой экономический эффект составил 272 тыс.рублей.

Апробация работы. Основные результаты.работы доложены и сб-сундены на К Уральской школа изтадловздов-теркасгсв "Ускоренна паучно-тохвичзсксго прогресса в ¡/л таял о ведении и термической обработке охадей и сплавов" (Свердловск, 1985); на научно-тзхяичэ-скоЗ конференции "Современные метода исследования а квталлсведс-шш" (Устинов, '1955); на У Бсессязао?. кокфзреашк "Текстура я рекристаллизация в металлах и сплавах" (Уфа,' 1937); на Всесоюзно:.: семднара-школэ "Новые метода нанесения а обработки газстер-шческих, вакуумных и других еядсз покрытий" (Каев, 1987); на Есасоазаом семинаре-ссвесанки "Коррозгашо-стойкие тропоочннв сплавы и защитные покрытия для транспортных ГТД" (Николаев, 1983); на I Есессюзяса симпозиума "Новые жаропрочные и жаростойкие металлические материалы" (Москва, 1989).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введеядя,

47?. глав, заключения и пркясгения, содержит 194 страшш, э ?сц /лло Ь? рисунков и 27 таллии; библиография из 107 наимввеганай,

ОСНОВНОЕ' СОДЕРЖАНИЕ РЛВСТИ

В глава I проведен анализ научной н патентной литературы, который п сказ ал, что по мэре развития современных газотурЗр-лянх двигателе? возрастает роль пропессов, происходящих на поверхности деталей, ?/огугах вызывать их преждеяракзйное разрушение. Су-

шествуюдая в авиадвигателзстроонии теадеиизд в переходу на боле а взрсярс<?ныв и манее жаростойкие сплавы дд? кснс?рудгои1 полых воз-дузеоохлаждэемых лсязто?.. выдвигает проблему соверпенствованшг за-еетнкх покрытий. В работе рассмотрены прлмзняемаэ для заштн лопате?. авиаццснянх ГТД покрытая а свссобц их псяучеядт,

5 настоящее вроет для яар^лноЗ поверхности лспа?ся, изготовлении* мат еда:® нысскссуоростноЯ нзаравдоийоЗ крястаялпзашш (ЕСдК) и гкжскрястального литья, наиболее эффективным считается у.спсльзовааие толстите )хногсродаояеятвдх похрнтаЗ, несмотря на гас понякен^э по стнегендв к сергЗккпя адечмяддам пояратзотм жаростойкости. Это в известной степени отполировало разв^пе методов нане серия мнсгоксмпсиензнкзс покругнИ п даяууга, тая та к диффузионными методами поучение тэтах исг.рытгй затруднено.

Иселедсваншг явдческсго я фагового состава жаростойких покрытий доказывая», что наиболее высокие защитные свойства в системе Мс-рг-А-1Г имеют иятерметалодяке соединения , Прз изучении лх свойств исследователи отмечает весьма низкие параметры диффузии йолъпзшетва тугоплавких элементов ¡з алшинидах никеля. Результаты исследований дскротяй № -(15-30?) Сг -(10-15?) Д. -(0,1-0,5^)У рри длитольлкс вндэрхках свидетельствуют о постепеннее иочеррдощ их заштных свойств за счет расходования

7

алюминия па образойаййе пленки Д.А и взаимодействия яокригя: с подложкой. При 2-тсм отмечается, что последний процесс играет более значительную роль. Наличие градиентов хрома и алюминия на Гранине определяет особенности формирования зоны взаимодействия Эта ЗОйа икае? слсг ну я Гйторо|>а3£;уи структуру с ендо линиями кар-ôi'jjûô, фаз На û снов о тугссиавких элементов, интерметаллкдоЕ, v то и числе И ТПУ-фз, С другой стороны, наблюдалось появление ле-гаруювйх эяеШйТОа «Шага 3 покрытии, что в ряде случаев мотет оказывать неблагоприятнее влияние на его свойства. В пело« пс-кр) тия данного типа на обладаю* йысокой долговечности), что связывается с образованием прй окислении гетеро^азной оксидной плени и яязкой етавйяьнсеим структуры покрытия.

Традиционная йунь погашения сеойотв покрытий - ояпшэашмг их яагйрбваййй - рашваатся достаточно давно и позволяет получать покрытия ФШадодииа 86 всем обчемэ по химическому составу. Другое надравдекйб - oie получение Покрытий с но ода о о одним распределением элешатов, адекштм услойкям эксплуатация покрыта! Этот путь привел к paaBaftm комплексных технологий нанесения покрытий. Имевшиеся в литература давние свидетельствует о возможности получения комплексных покрытий с более высокими заиитнцми свойствам-! путем применения двух или более технологий нанесения на одном изделии. В данном случае необходим индивидуальный подход к конструирований покрытий с учетом всей совокупности. факторов, характеризуюсих как условия работы лопатки, так и особенности технологий нанесения и термообработки.

5 главе 2 рассмотрены, материалы; методики испытаний я методы исследования. Исследуемые покрытия имели состав Ni. -(18-225;

Сг- -(6-13$) №. -(0,3-0,5$)Y и были'получены в виде конденсата нет од с м ВПТВЭ по ТУ-1-612-СС03-85. Покрытия на к с е..та с ь m образны и лопатки жаропрочных никелевых сплавов 2СЗУ и ЕС25.

Прспессы алятирсвавня и алюмопирненироваяия проводили

8

контактным газовым пкркудяпиошшк методом в специальной установке с использованием порсвксэ феррсалюта над (40-50 ат,$ И ), иирксния, оксида алпмщ-щя и активаторов №Ай в tfgCL , В качестве инертной состъилятв?. исяользовадя зргся,

2арС.СТОЙКОСТЬ СбраЗПОП С ПОКРЫТИЯМ! 0ЯрСД8ЛЯЛ55 да ПИЛШШРД-ческих образцах п алундових тиглях при нвсскотемпературном окислении на спокойном гоэдухо при 9Б0°С (J0CC чзсоэ) и 110С°С (ЗСС часов). Кетсдкка расчета характеристик жаростойкости соответствовала ГССТу 21910-75. Методика сценки стабильности покрытий соответствовала рекомендациям Щ5И судостроительного уаяинострсе-ния.

Сненку жаростойкости к долговечности яофитий производили по удельному увеличению массу образцов, лзкзлеяии микроструктуры, хиьт.ческсгс к фазового состава.

Испытания на длительную прочность образисв с искрит® проводили на стандартных малинах АИА-5 при 975°С и нагрузке 230 МПа. ,:.'с::сльзсе.зл;:г;ь сестякратше образны с диаметром рзбочоЯ части 5 км. Хсдытания на векзстер.'/сческун ползучее« проводили на' воздухе с верхней температурой цикла ПС0°С ш вяввеА - 2СОсС.

Испытания на шогоекклевув усталости прсяодгля аз установке ЕМАШ-1С-68 на плоских образках с кояы»во{! гктсчксЗ, Пррдея ограниченней еынссдивсстя определялся на базе 5-10^ таслсв. Коррозионная стойкость пскрвтий определялась ва газодинамическом стенде е потоке продуктов сгорания топлива с капельноЯ подачей морской селя в гззсЕув струв, - •

яедытинт лопаток с покрытиями проредили по про-гр.ажаи длительна испытаний р течение времени, соответствующего 2,3,4 и 5-кратнсму ресурсу. Программы испытаний вхяшаяи ресурс-вые испытания до прсфилк.полета, эквивалентно-циклические испытания я испотэняя яа каксишызуо тягу.

(¡ЧруЩру а фазошй состав покрытий наследовали методам кеталлографии йй кй'КСоскспе " тОРНОТ-21 рештеноструктурно-го фазового айалкга в' Си - и Со -излучениях на ди!рзктоиетре "ЛРОЯ-3,0", 2аШб% дафрактограмм йсуквстшшласЬ при скорости 2 град/мкн (фазбвай анализ) и 0,25 град/мин (расчет периода решетки). Структуру сокрыта Р йсследовйлй рентгеновски;.® метода;,® обратной сгемки й камере КРССС. Для пбвыйеция точности анализа использовали "штксе" излучение Сг-К^ , Тонкая структура покрытий иоследйгалась методами просвениваюквй электронной микроскопии тонких фоль?.

Исследования химического состава и характера распределения легирую®* элементов выполнены яа гакроанализаторах "КАУ-ЕЕАКС" и "РЭММА-202". Локальность анализа - 1,5 мкм, чувствительность анализа составляет в среднем 0,5$, точность ~ 5% исследуемой величины. Количественный анализ проводили с использованием методики ги? .

В качестве эталонов использовали специально выплавленные модельные сплавы и , а также чистые металлы. Рас-

чет склонности дафГузиснноА зоны к пересыщения тугоплавки?«® элементами и ТПУ-образеванию проводили с использованием метода "РНАС0МР Для расчета критических концентраций применяли методику Ьдггоа-.

В главе 3 рассмотрены особенности структурного состояния, характер формирования и окисления покрытий, полученных методом ЕПТВЭ. В ходе исследований исходного состояния конденсатов, полученных данным методом,обнаружено, что последние имеют неоднородную слоистую структуру. Дифракционные линии сильно размыты, что свидетельствует о наличии кристаллографических несовершенств В ходе исследований было установлено, что формирование окончательной структуры покрытия происходит в процессе стясига кондон-

-Ю

сата в твердом состоянии. Это,с одной сторсш, обусловливает необходимость оптимизации режима отетга, а с другой стороны, объясняет [лзличкя состава и структуры конденсатов и модельных сплавов.

¡«срфслсгия основных фазовых составлявших была выявлена при исследованиях тонких фолъг. и-Cr наблюдается в виде реечных выдслени* в пределах У' -области одной ориентировки и в виде рагноссных - на границах V - фрагментов, ¿f' -фаза также имеет два морфологических типа: первичная крупнозернистая и вторичная высокой дисперсности, вдяеляюааяся з зернах ^ -твердого раст-Еора в процессе кататеркаческсго старения. Особенностью фазового состава конденсата П -(20-22)%Сг -(9~12)%HL~Y является наличие неравновесной фазы г структуре - У -твердого раствора. Характер еэ выделения зависит от теглпературы стлига. При температурах ниже S5C°C # -твердый раствор образует самостоятельные вы--деления округлой форм;, при стаиге 2 интервале ЮС0-1030°С выделяется в виде конгломерата У-У' ; Модулированная структура tf-tf' является более благоприятной, чем наличие гомогенных выделений У . Белее высокие температуры ( ? 11СС°С) повышают объемную долю У . Наблюдается коагуляция частиц ¿-Сг , которые, как правило, приобретают полигональную форму. Кроме того,при повышении температур существенное значение имеет среда отжига. Так, при ПОО°С в вакууме в течение 2 часов в результате проявления эффекта вакуумного травления и обеднения поверхностных слоев по хрому появляется слой толииноЗ 15-20 мкм, состоящий из А и фаз. Исследования влияния температурного режима отжига позволили наделить оптимальный диапазон температур: 950-1030°С.

Варьирование химического состава по Я приводит к заметным изменениям сосгйсшения.количеств фаз. Так,снижение содержания алюминия приводит н дестабилизации уз -фазы и повышению объемной дола ¡Г -твердого раствора. Повышение концентрации А

бвш ^приводит к образованна так называемого псевдобинарного сплава р-1 Сг .

Особый интерес.представлял механизм взаимного влияния сплава и покрытия. Наличие на границе высоких градиентов концентрации легпруших элементов обусловливает интенсивное развитие диффузионных процессов, В работе была, построена модель формирования диффузионной зоны на основе предположения о раздельной диффузии тугоплавких элементов и И по У и Т -фазам. В результате диффузии хрсма из покрытия происходит пересыщение Т -твердого раствора сплава по тугоплавким элементам. В результате диффузии алякинкя, в силу узкой области гомогенности упрочняющей фазы сплава, происходит рост У -фазы по механизму, описанному Риксм и Портером. В зоне сильного влияния алюминия тугоплавкие элементы (в основном Сг , V/ , т ) выделяются в самостоятельные фазы ( V, ^¿А , и-(ч/,Сг) ), а в зоне слабого влияния А образуется У-У* эвтектсид с участками перасшаеяного Т -твердого раствора. Образование сплскнсй -прослойки кнтенсифштируотся при увеличении температуры сткига в интервале 90С-1С5С°С, что следует, яо-Евдкисму, связывать с развитие« прсдасссв .растасровдя уирочняю-сей фаз» сплава. Расчет диффузионной зоны по метод;,' рилсомр с привлечением методики Еарроу-Иькжирка для расчета критической концентрация показал при и и га а льнув всзмсяцость образования ТПУ-фаз е зснс слабого влияния алюминия в интервале температур эксплуатации.

Таким образом.одной ез задач повышения долговечности покрытия является стабилизация диЭДузиснной зоны или введение барьерного слоя на границе.

С цельв сдают жаростойкости и структурной стабильности набранного покрытия проводили длительные Еыдержзд образцов на воздухе при температуре ПСО°С. Анализ структурного состояния, изгж-

нояпЯ химического состава позволил взделить характерные особенности поведения покрытия СДП-2 при окислении:

- Рас слое низ покрытия уха нз начальных стадиях с формированием двух зон с повышенным количеством алмкосодорклких фаз и сохранении такой структуры вплоть до ICO часов ездорккя.

- Состав оксидной плонкп меняется в прспоссо ивдоряки в сторону постепенного елккония доли &Д и МЛД . К 300 часам оксидная плын-.а состоит из 0 si мСлД

- Б процессе выдержки изменяется морфология выделоний з диф&узиенной зона и увеличивается ее ширина.

- Прея сходит быстрое снижение средне Л концентрации алюминия в покрытии, особенно в наружном <t' -х' -слое (1/3 толшны покрытия), что в известной степени коррелирует с уменьшением параметра и количества /5 -Фазы в средной части покрытия, fi -фаза практически исчезает к 150 часам.

- В интернале I50-3GG часов покрытие, постепенно приобретает практически однофазную структуру и окисляется по механизму окисления f -твердого раствора.

- К ЗСО часам покрытие представляет собой обезлегярованный У -твердый раствор с интенсивным развитием внутреннего ОКИСЛеНИЯ .

Пс результатам лабораторных и натурных испытаний рассматриваемые покрытия не стлнчаотся высоким! защитными свойствам к икепт относительно низкую структурную стабильность. Равномерное рзспр-,д,,-".'''Нйе легирующих элементов в слое, как показали исследования, ас является оптимальным, что з пелсм согласуется с полеганиями, приведенными я аналитическом обзоре.

Получи иные результаты указывает на необходимость повышения защитных стсКстг внешних слоев покрытия,, а также на увеличение . стабильности систода сплав-покрытия относительно их взаимного влияния.

В_глав0„4 рассмотрена возможности повышения долговечности покрытия \iCr4iy и предложат! способы их реализа:в:я. Сдним из путей псшшония стабильности базового покрытия является введение на его границе со сплавом барьерного слоя. Использование барьерных слоев р -фазы перспективно но слелуя&ил причина;и. Низкая подвижность тугоплавких элементов в интерметаллидах никеля ( Р в У' ) заметно ограничивает перераспределение элементов между покрытием и сплавом. Достаточно высокое ссдеркзнне алюминия в барьерном мое выполняет '{унхк:» резерва алюминия при постепенном обеднении наружных слоев. Сравнительный анализ способов получен ля уз -слоя показал, что максимальной реализации барьерных свойств Р -фазы наилучшим образом соответствует газовый циркуляционный метод. Это связано, в первую очередь, с возможностью формирования однофазного слоя с унни.талъной протяжен- -постью субгранзш и практически отсутствием зкссксуглоэых границ. Кроме того, метод позволяет регулировать содержание алюминия в

Р -слое и характеризуется высокое госпроизнсдимостьк) и технологичностью. Б случае использования данного покрытия для воздухосх-ла-кдаешх лопаток ГГД возникает нозкокность создания комплексной системы запиты наружной (комплексное покрытие) и внутренней (газовое аяаамнцдное покрытие) поверхЕостеС. В дакнем случае традиционные способы получения кояоелоев -$азы - псрсс.сЕкЯ и шлигчеракЕ - недостаточно эффективны. Слои, получаете этими методами, имеют развитую сеть внсскоуглсЕКх границ ( Й.» ^ 5 и характеризуются, как правило, актиЕНШ механизмом формирования (наличие в слое тугоплавких элементов). Кроме того,применение этих методов для зашиты внутренних каналов малоэффективно.

С учетом специфики всздухссхлакдае;/ых лопаток был разработан способ получения комплексного покрытия САЛ-2, включающий в себя нанзеекие барьерного елся газовым методом.

Нормирование диффузионной зоны при агитировании характеризуется сильным елияняом алюминия, что приводит к дестабилизации участков переськенного У -твердого раствора и снижает вероятность образования ТШ'-фаз. Эта зона достаточно стабильна, а тем числе и при термоусталостнсм нагру.кенки из-за близости ТКЛР /л -слоя и сплавов тяпа ЕС.

Полученное на наружной поверхности покрытие характеризуется трохзонней структурой. -гор.мирсвание диффузионной зоил определяется в осноенсм процессами, происходящими пои нанесении барьерного слоя,и характеризуется минимальным влиянием хрома и более сильным влиянием алюминия, чем в случае СДП-2. Исследования ис.ту-ченного покрытия показали, что внаикиЯ елей покрытия практически ссстветствует составу СДП-2, переходная зона представляет собой псездсбинар.'шД сатан , барьерный слой представляет со-

бой /ь -фазу с содержанием аяшиния 24-26^ и параметром ~ 0,2874 ям. Вс внутренней полости образуется аляминкдное покрытие с 21-24.% мае.% К а слое.

В рабста <41 л также реализован способ повышаяая жаростойкости покрытая СДП-2 на всздухссхлалдаемых лопатках ГГД путем хима-кс-тергаческой обработка совмещенной па температурному режиму с стуигсм конденсата. С отей целью использовался циркуляционный газовый метод. Проблема совместного насыщения алюминием разных типов педтсжкк (конденсат я.жаропрочный сшгав) в условиях заданного темлературно-временного рйжима (ЮС0°С» 4 часа) рвеалась яугэм оптимизации параметров процесса химико-термической обработка. Поставленная цель достигалась при проведении процесса а интервале соотношений условных реакционных поверхностей смеси и изделий, рчнном С, Данным метода,1 реализуется градиент концентрация

в покрытии с максимумом в поверхностном алое, что позволяет

существенно повысить защитные свойства внесших слоев С^г.'-'т, покрытия.

Полученное комплексное покрытие А.ЛС-2 характеризуется наличием внесшего слоя /з -$азы толщиной 2С-25 ккм. Данная система запиты просматривает, с сднсЯ стороны, повышение сопротивления окислению изрук него слоя с сохранением пластичной прослойки вблизи спадва, а с яругой стороны , зааюту от окисления внутренних каналов лопаток,

. Поверхностное нзсыиенис алшрниеы приводит к обра зеванию сплосшой прослойки фази'.л.л , которая, в своя очередь, образует при окислении сплошные в плотные пленки оксида в отличие от гетерофазной окалины т СДП-2, обладает весьма бу-сокей стойкортыо в чисто окислительной среде,-во его защитные свойства пенпжзгргзд при засолении среды, 3 сечзк с эти" был разработан способ уроверсеаствоэанЕя наружного пскрытия АЯС-2 путей дополнительного легирования з.чегнего . уг> -слся цирконием для получения более дкертк»х; оксйкакх .пленок , С этой цеяьи в состав насыпающей смеси вводился '¿г и с учетом различия термодинамических. равновесий реакций глдтнрева.чля и пирксядрсваяия процесс проводился со ступеяяатым изменение!.: теетературы и отделением высокотемпературных продуктов реакции. В ходе исследования было установлено,-яте.полученное покрытие характеризуется наличием легированного ¿г-' •■ .-елся • /5 -разы. наличием фазы в поверхностных участка* г ферьшреванием компактней ок. сил ней планки стабилизированного дискепда дамгендя тетрагональной модификации ( ггОг-тл ~ мйгАГ - ЦМС-?).

С.целью едеякц работоспособности разработанных покрытий бал проведен комплекс ех лабораторных испытаний, Сравнительные испытания на изотермическую жаростойкость яа базе ЗСС ч при 11СС°С я 1000 ч при 950°С показали двухкратное доЕЫзеяде сгейств по стяо

ценил к базогс'лу покритпэ. Структурные изменения в комплексных пскр(¡тнях сеидсг^льстнуат также о ¡:х белое пнсоксЯ долговечности i! ctруктурней отабильнссти (Особенно для варианта САЛ-2).

Испытания cflpaiv.icn с пскрити/м: на мнегониклепую усталость на базе 5-1Съ ийклеп показали, что «скрытие САЛ-2 но оказывает влияния на предел ограниченней йынослиеости сплина, а СДЛ-2 и АЛС-2 несколько сшяа</г огс, но при это«,! кнтеисиппссть накспле-i::;;¡ 1!срр<;?дени8 у варианта АЛС-2 белое низкая. Анализ характера ра сп реет ране лил усталостных троз'кн показал, что магистральная трещина в разветглястся. образуя параллельную поверхности

псстаыл?.зу» п зоне гранит; сплав-покрытио, что зачастую приыо-дит к сколу покрыта;:. Для обоих вариантсп ког/плексных покрытий отмечается тормсгснке трегз:ны на границе слося.

Ьсе рассмотренные типы пскрыт/.ií исш-пагл термостойкость сплава. Минимальная плотность трепан наблядастся в покрытии САЛ-2 как в исходном состоянии, тзк и после- д^нтьдьних выдержек (ICO и ЗСС часов; ПССсС).

При испытаниях на теилсиякяяческуа ползучесть на спокойном ■ воздухе среднее число циклов до разрушения образцов с покрытием АЛС-2 состаг-клс л IОС,.САЛ-2 ' ~ 140, образцов без покрытия - G0.

Комплексные покрытия не ухудшают длительную прочность образцов сплавов и ¿C25. ' -

Испытания покрытий СЛП-2, AJIC-2, ЦА.ЛС-2 на лабораторном газо-днпамическсм стенде а условиях загрязненного морской солью топлива показали, что СД1-2 и АЛС-2 имеют близкую коррозионную стойкость в потоке (35 и 4С часов соответственно), а покрытие ЦАЛС-2 не имело видтгх повреждений на всей базе испытаний (100 часов), Ь г.ущд 5 приведены результаты исследований повреждаемости покры-гиР •• услориях, меделируягах реальную эксплуатацию. Натурные испытания ,п ссстаяе изделий наиболее адекватно отражают условия '

эксплуатации. В дакнем случае учитывается весь комплекс воздействий на лопатку, вклачаюший коррозионное, температурное и :«?ха-иическоо воздействие реактивного потока на наружную поверхность, напряженнее состояние материала и окислительную среду во внутренних полостях лопаток.

Испытания лопаток с покрытия«? проводились на трех тг.лах турбин с различным уровнем термснагруг.еннсстп, Hpcrpav.va кепктз*-ни Я изделия "64" вктвчала на нестационарных pe«:.vax с ос^

новнык циклом "малый газ-гзлет-ьтый га у" и режимах, ссстветст-нуюших прсфг.лв полета, На ссноъакр.к изучения структуры и состава покрытий лепаток Б 'ступени показано,'что в ряду СД1-2, серийное адюшмидкта покрытие, АЛС-2 уровень повреждений уменьшается, Покрытие СДЛ-2 исчерпало ресурс у se после Г стадии испытаний {v 2СО£). На лслатклх ,с серийным покрытием n 11CZI-2 каблкдалссь окисление поверхности внутренних канален, г'а следующем этапе испытаний 470 чаррв) серийные покрытия практгчеекд исчерпали ресурс. При гтем уррреяф перреудекрй сердйнсгс покрктгя на елтаза IC2S был вкае, чей на , вплоть до появления участкез с кис."-а-Еия основного кат ер? зла, Псг-?Ы™пе .АЛС-2 обеспечило з^ектнвную зашгу летериала лопзтек 2 ступени (ЕС26) на всем прстя^екии испытаний, ссхр§нив при этом удовлетворительный урезекь защитных свойстр, fía первой ступени данного кадедЕЯ ^сдытыватись две моди-фгкапгд покрытия АЛС-2 (с рззллчшм содержа кием алюминия во гяез-нем слое) и пеярытре СДД-2, I ступень данного рздеау; характеризуется высокрй Ейтенсетнрстькз, воздействия со?сед г значительные тершческЕма mrpypsajgt, 5 рщше ""^езлет-МГ" скорость нагрева материала прэвыкал§ БС-Ур. Лр результатам яепктаний рсказанс,что все покрытия §§*р8|ЩФ З'рсвень теркеустадсст^ -

вых. л с® ре жде щф ф§хее высок у покрыт©? АДС*? 9 повышенным с еде рыганием А го внешнем слое, npg этом развое термсует&лсстнс?.

треаини, как правило, связано с неблагоприятной ориентировкой меафазнсЯ ' /Ъ-У' гранипы и приводит к частичному выкрашивания внешнего слоя.

Исследования состояния покрытия САЛ-2 позволяют отметить • его высокуэ структурную стабильность и минимальный уровень повреждений.

Сценка работоспособности комплексных покрытий в течение времени, соответствующего 500% ресурса, была проведена при испытаниях' технологического двигателя. •

Режим испытаний характеризовался длительными этапами изотермического вездеКстпия реактивного потока с температурой газа не ниже I320cC. ]Ja I-П ступенях рабочих лопаток данного двигателя били при.ганэяч покрытия АЛС-2 и САЛ-2. Результаты пссяодсва-ний показали, что условия работы покрытий I и Е ступеней различаются, при этом покрытие АЛС-2 имеет белее высокое сспротинле-нпе окислению на П ступени. Показано, что для покрытая САЛ-2 имеется определенные рззлнчня 2 глехаяязмэ окисления на 1,П сту-пэяях, однако з сравнении с АЛС-2 данное покрытие продемонстрировало лучеиэ свойства аа I ступени.

Результат!." асдтажгЯ пздэдиЗ "64" и "48" поатлилд выработать оскйстнаэ с кснструягедаиа лепатов р<зкс!1зядзцэт по пгтае-яааго покрытия САЛ-2 ддя I студспз. а АЛС-2 для П ступени рабочих лспатск TBI данных изделий.

Па ссяозанпи изучения данных, полученных при лабораторных к ¡тарных испытаниях покрытий АЛС-2 и САЛ-2, эти покрытия были ретаюидезаны для заопты рабочих лопаток нового двигателя ПС-90А. Данный двигатель предназначен дет постановки на гражданские машины ТУ-'¿04 и I'jI-SS-ЗСО, в связи с чем надежность п долг.сгечассть покрытия лвисбретают сукественнсе значение.

Испытания комплексных покрытий з состава ПС-90А е сравнении

19

с сориАныиг. покрытиями показали белее высокое сопротивление тер-ыоусталости к высокие защитные свойства. Изучены структурные изменения в покрытиях в прсшссе наработки.

Испытания двигателя в различных ре.тл:г/лх работы позволили с ценить долговечность 2 те мл ера ту рныЯ предел работоспособности покрытия на лепатках I ступени. Так, при испытаниях на макспгаль вуа тяг}1 наблидалссь быстрее повреждение серийного покрытия вплоть до прогорания во внутреннюю полость, б то гремя как покрытие САЛ-2 сохраняло сплошность по все!4, образующей пера. Ее результатам оиешу: температуры лопаток и характеру изменения ке роструктуры шкеккальная температура в зоне еходеой кромки превышала 1230°С.

Проведенный комплекс исследований п испытаний разработанных покрытий послужил основанием для внедрения комплексных покрытий СДЛ-2 и АЛС-2 для защити рабочих лепаток соответственно I и П ступеней серийного изделия "48" к нового двигателя ПС-ЭСА.

В ТГВ О Д И

1. Прд кзучзник исходного состояния показано, что разово-структурные характеристик покрытия СЛЗ-2 зависят как ст содержания алюминия в исходном конденсате системы '«'* -Сг-ц-У ,

так и ст текпература его диффузионного ст.т.ига.

2. На основании проведенных испытаний показано, что для обеспечения требуемой долговечности рабочих лспатск двигателя ПС-80А яесбхсдк.:о псЕКЕекпэ гаростойкссти е терг.яческс2 стабильности покрытия СДП-2, являющегося е настсясее врем" баз секу хтя турбины "48".

3., Доказано; что сспротЕЕдеаде газовой корроздд базового покрытия ложно повксегь замеяой ва^шого отжига кекпезшш сплав-покрытие ва хидако-термическуп обработку г среде галегеян-

20

дон алюминия. Для повышения сто?.ксста СД2-2 к солёпсЗ коррозия разработан режим химико-термической обработки в среде гаЛогеии-дсв алюминия и циркония.

4. Установлено, что повышение долговечности и термической стабильности покрытия СДЯ-2 мелет быть достигнуто введением ¡уезду ним и зашпаекым сплавом прослойка 4i -(23-26^) Ai

5. На основании лабораторных испытаний показано, что разработанные комплексные покрытия HitrKY-Ml (АЛС-2) а МЛ -

MiCrÀLY (САД-2) повышают яарсстойкость композиции сплав-покрытие в 1,5-2 раза в срарнении с базовым вариантом и не ухудязют несущуп способность жаропрочных никелевых сплавов ZG57 и 2С26ВНК.

Коррозионная долговечность покрытий NiCrÂLY - MЛ1?г(ЛЛ1С-2) п МРоСгЛУ ~ SULZr (ДАЯС-I) в 2-4 раза выше чем однослойных алв-млнидннх покрытий и СДП-2 при 9СС°С.

S. Применение комплексных покрытий АЛС-2 и САЛ-2 на рабочих лопатках турбин "48", "54", ПС-90А позволило более чем в 2 раза повысить их долговечность и выровнять ресурс лопаток I а П ступеней.

7. Покрытая АЛС-2 и САЛ-2 внедрены в серийное производство для зашиты рабочих лопаток авиационного двигателя ЕС-90А, предназначенного для постановки на ТУ-204 и ИЛ-96-300, с экономическим эффектом 272 тыс.рублей.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Структура я свойства занятных покрытий, полученных газовым методом на сплаве IC&2HK 1 Векслер Ю.Г., Лесников В.П., Кузнецов В.П., Горошенко D.O., Репина О.В., Стязкин Б.А. // TOkîM. Свердловск: изд. УПИ, I98S. ЕыдЛГ. C.II3-II7.

2. Структурные изменения в конденсатах система №-Cr-4L-Y ари повышенных температурах ] Палеена С.Я., Кузнецов В.П., Стяж-

кин Б.А. и др. ¡J ГСиИЛ. Свердловск:УПИ, 1988. Вып.13. C.IIO-II5.

3. Копылов A.A., Кодылова З.А., Стязышн В.А. Исследование субструктуры поверхностны): слоев агитированного никелевого сплава Ц Запита металлов. ¡А., 1989. C.II7-I2I.

4. Исследование структурных и фаэогкх превраиений в конденсатах: к. -(20-22«) о -(11-13%)/''- v при высокотемпературных выдержках / Стяхкин В.А., лузнепов Б.П., Соколов А.Н. др. // Термическая обработка и физика металлов: Межвуэ.сб. Свердловск: УШ). 198Э. Ькп. 14. С. 135-138.

5. Структура и свойства комплексных покрытий на Сазе системы К-Сг-ЛУ / Бекслер Ю.Г., С тяжки н Б.А., Лесников 5.Л. к др. }} Газотермические и ззакууыше покрытия е энергетике и двигателе-строении: Сб.каучн.тр. АН УССР. ИЭС им. Е.О.Патона. 1969.

С.88-93.

6. A.c. I35II60 СССР. Способ газового актирования изделий из . гаропрочакх никелевых сплавов, легированных титаном / Бекс-лер Ю.Г., Кузяецоз Ь.П., Лесников Б.П., Горсшекко D.C., Стян-кин Б.А. к др. К- 3988159. Заязл. 1985. Открытой публикации

ira подлекпт.

7. A.c. 27SB08 СССР / Векслер D.I., Кузнецов В.П., Лесников Ь.П., Стяккак Б.А. и др. & ЗГ8257Г. Затал. 1987. Открытой дублидадя! не додяедит.

8. A.c. 300570 СССР / Векслер Ю.Г., Лесников В.П., Кузнецов В.П., Стяекие В.А. и др. № 3207IC5. Заявл. 1988. Открыто;: публикации дз подлаза т.

9. A.c. 303757 СССР / Вексдер Ю.Г., Кодыдсв A.A., Куэнепов В.П.. Лесников В.П., Стяжая В.А, к др. £ 32C928S. Заявл. IS88.

Открытой публикации не подлей?.

Подписано в печать -13.02.91 Форма? 60x64 I/I6

Цуката писчая" ' Плоская печать Усл.п.л. 1.39

Уч.-пзд.д. 1,00 Тиран ICO, Заказ I Бесплатно -

Межотраслевой научно-технический центр "Тега"

520002, Свердловск, К-2, 7ШЗ * .

Ротапринт УПИ. 620002, Свердловск, ЛИ, 8-2 учебный корпус