автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка защитных покрытий и технологии их нанесения для увеличения надежности и долговечности лопаток газотурбинных двигателей

УРАЛЬСКА .ОРДЕГА 7РГД0ЕСГС КРАСНОГО SHAÜ.IC! ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ институт им. с.м.киро^л

Для служебного пользования Экз. л J££ На правах рукописи

Горсненко Юра!? Олегович

УДК 569.2-15:621.785.539

РАЗРАБОТКА а» УСТНЫХ СОКРЫТИЙ И TEXH0JI0Ü-M Ж НАНЕСЕНИЯ ДЛЯ УБЕЛКЧЕШЯ НАДЕЗКССГО И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЛОПАТОК ГА20ТУРБШНЫХ ДЕИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.IS.0I - Металловедение и термическая

обработка металлов

Аатопеферат диссертации ка ссссяакпе ученой степонл кандидата технических наук

Свердловск 1991

Работа выполнена в Проблемной лаборатории металловедения Уральского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института имени С.М.Кирова, г. Свердловск.

Научный руководитель - доктор технических наук,профессор

ВЕКСДЕР Ю.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,профессор

ЗАВА РОВ A.C.;

кандидат технических наук ШАВДЮВ А. 3.

Ведущее предприятие - ПНПО "АВИАДВИГАТЕЛЬ", г.Перлъ

Защита диссертации состоится " 3 " июня 1991 г. в 14 ч 45 мин на заседании специализированного совета К 063.14.02 по присуждению ученых степеней кандидата технических наук металлургического факультета Уральского политехнического института им.С.И.Кирова,третий учебный корпус,ауд.:'.Т-421.

Ваш отзыв в одном экземпляре,заверенный печатью,просим направлять по адресу: 620002, г.Свердловск, К-2, УПИ км.С.^.Кирова, учено-му секретарю института, телефон 44-85-74.

Автореферат разослан "_" _ 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета К 063.14.02, / доцент, кандидат технических наук

ОНДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ '

Актуальности проблегяг. Повышение няда^ности и ресурса авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) усложняется уг-ссточением условий их эксплуаташш з связи с непрерывным ростом рабочих температур, динагаческих и вибрационных нагрузок. В связи с этап повышенные требования предъявляются к надежности и долговечности рабочих и сопловых лопаток ГТД, изготавливаемых из жаропрочных никелевых сплавов, которые з данных условиях не обладают достаточным сопротивлением высокотемпературному окислению и коррозии.

Однии из путей повышения долговечности лопаток является снижение рабочей температуры материала за счет применения воздушного охлаждения внутренних полостей лопаток. Однако это привело к появлению разрушения и досрочного съема лопаток с двигателей в связи с процессами окисления поверхностей внутренних охлатздаемых каналов, термической и механической усталости. Поэтому создание на наружных и внутренних поверхностях рабочих и сопловых лопаток ГТД занятных покрытий,стойких к окислении и коррозии, - основное п экономически оправданное решение проблемы сочетания высокой конструктивной прочности материалов со способностью противостоять разрушению при высоких температурах. «Для этого применяют различные яа-рсстойкие покрытия в основном алюминидного класса, сформированные на основе интерметаллидов никеля с образованием на поверхности покрытий в процессе эксплуатации защитной оксидной пленки с<-Л?гОз. Использование традиционных порошковых методов получения защитных покрытий на охлаждаемых-лопатках современных ГТД затруднено вследствие усложнения конфигурации внутренней полости, сложности получения однородных по составу и толеине покрытий на крупногабаритных лопатках сложного профиля (сопловых лопаток и блоков), требований экологической чистоты. Применение плакирующее покрытий (электроннолучевых и плазменных) невозможно с точки зрения получения покрытий

3

на внутренняя поверхностях лопатск и трудностям, связанных с получением равномерных покрытий ка крупногабаритных лопстках слоеного профиля.

Для получения равномерных и однородных алвманяднкх покрытий заданного состава как на наружных, так и на шутрз^нчх поверхностях работах и сопловых лопаток люЗых конфигураций ¡лкболее перспективным представляется циркуляционный газовый метод с раздельным расположением лопаток и источников насыпающих элементов к с принудительной циркуляцией насынигаьей газовой среда. Нанесение покрытий происходит с экономичным расходом материалов и баз загрязнения окруяаюшэй среды.

Циркуляционный метод также позволяет решить проблему увеличения долговечности газовых алюминидных покрытий и их стойкости к высокотемпературному окислению и коррозии путем целенаправленного легирования покрытий. Внедрение в производство-таких покрытий , сдерживается вследствие недостаточного развития теории их легирования и отсутствия оптимальных составов легированных алюминидных покрытий, недостаточно отработанной технологии насыщения и опенки их надежности е долговечности.

Цель работы. Разработка технологии нанесения и комплексное исследование закономерностей образования алюминидных покрытий,' полученных циркуляционным газовым методом; теоретическая и практическая оценка возможностей легирования алюминидных покрытий; разработка технологии получения газовым методом легированных покрытий; исследование и анализ механизма разрушения и исчерпания защитных свойств разработанных покрытий.

В соответствии с этим были поставлены и решены следующие задачи:

I. Разработка способа получения алюминидных покрытий газовым циркуляционным методом на лопатках из никелевых сплавов с охлавдае-шда внутренними каналами.

2. Исследование влияния осноеннх технологических параметров нанесения покрытий на активность насыщаюзаго элемента - алюминия-и установление влияния активности насыщающей газовой фазы на Формирование, структуру, состав и свойствз алв.танидных покрытий на различных никелевых сплавах.

3. Разработка состава насыЕзюдай порошковой смеси для предварительного поверхностного легирования газовым методом поверхности лопаток никелем и хромом с последующим проведением газового алити-рования и формированием легированного алюминидного покрытия.

4. Изучение влияния условий нанесения диффузионных покрытий различными методам на формирование их структуры.

5. Исследование работоспособности жаростойких покрытий, полученных различными методами, и опенка их влияния на эксплуатационные свойства систем покрытие-сплав и покрытие-конструкция.

С. Результаты внедрения в.производство технологии нанесения разработанных покрытий на рабочие и сопловые лопатки ГТД.

Научная новизна. Установлена зависимость строения и состава алзминидных покрытий, полученных газовым методом на жаропрочных никелевых сплавах, от степени лерепыш.ения транспортной газовой среды субхлоридами алйминия. Повышению равномерности и однородности покрытий способствует принудительная циркуляция газовой среди с периодическим изменением скорости потока.

Показано, что повышение жаростойкости алюмннидных покрытий, полученных газовым методом на никелевых сплавах, легированных титаном, достигается путем связывания титана в нитриды и карбояктри-дн на стадии предварительной выдержки в среде азотсодержащего активатора при нагреве под алитирование.

Установлено, что высокая термическая стабильность упрочняющей ^"'-фазы направленно-кристаллизованных сплавов КС6Ф и КС26 приводит к преимущественному формирования во внешней зоне алюмннидных покрытий £ -твердого раствора вычитания, а низкое содержание

5

хрома в покрытиях способствует протеканию ыартенситного превращения.

Показано, что повышение долговечности покрытий, особенно на низкохромистых направленно-кристаллизованных сплавах, можно досткч! путем предварительного нанесения ^Г(М>-Сг) подслоя с последующим проведением газового алитирования. Предложен рациональный состав насыщающей смеси для формирования ~ 0г) подслоя из газовой фазы.

.Выявлено положительное влияние на долговечность покрытий, ре-ализуешх в предложенной технологии, структуры внешней зоны с малым количеством высокоуглоЕых гранил вследствие эпитаксиального роста покрытий.

Практическая значимость. На основании изучения механизма формирования и опенки защитных свойств алюминидных покрытий, полученных газовым циркуляционным методом на специально разработанной установке совместно со Всесоюзным институтом авиационных .материалов, выпущена отраслевая технологическая рекомендация на процесс газо-еого алитирования лопаток из никелешх сплавов. В настоящее время создан производственный участок для газового циркуляционного насыщения лопаток, выполняющий годовую программу предприятия.

Разработана технология получения гэзоеым методом двухстадий-ных покрытий системы /V/ Сс-^С с более высокими по сравнению с алюминидными покрытиями эксплуатационными характеристикам.

Покрытия ЫсСе-Лв прошли производственные испытания на различных авиадвигателях и рекомендованы к применению на рабочих и сопловых лопатках с увеличенным ресурсом работы. В настоящее время составлена производственная технологическая инструкция, спроектирован и создается производственный участок с использованием разработанного промышленного варианта высокопроизводительных газовых циркуляционных установок.

Внедрение результатов работ.существенно увеличило наде-чшость долговечность охлаждаемых лопаток газотурбинных дгигателей, что Зусловило фактический экономический эффект 270 тис.руб. при доле-зм участии автора 50% (135 тыс.руб.) и специальный эффект.

На защиту еыяосятся:

1. Установленные закономерности формирования алюмишщшх по-зытий, полученных газовым циркуляционным методом на различных ни-злевых сплавах.

2. Результаты исследования влияния пропессов, протекающих в 5скздзюшей смсси и в транспортной газовой фазе,на формирование

V/"Сг слоев на поверхности никелевых сплавов.

3. Закономерности формирования, структура и состав покрытий /V/ - Се ' А в , полученных по разработанной технологии.

4. Результаты исследования условий нанесения покрытий из га-звсй фазы и порошковыми методами на формирование структуры покрыта.

5. Результаты изучения влияния защитных покрытий на эксплуата-юннне свойства сплавов при лабораторных и натурных испытаниях.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуж-!ны на IX и X Всесоюзных научно-технических конференциях по конст-'кшонной прочности двигателей (Куйбышев, 1983, 1985); XI Всесоюзен совещании по жаростойким покрытиям (Тула, 1983); П Всесоюзной жференпии мол. спец. (Куйбышев, 1983) "Лопатка и методы ее зэез!-["; I Всесоюзной конференции по технологии и средствам -производст-I (Свердловск, 1983); XX Республиканском семинаре по диффузионно-■ насыщению и защитным покрытиям (Львов, 1984); УШ, IX, X, XI альских школах металловедов-термистов (Свердловск, 1983, 1985, 89; Устинов, 1987); I Всесоюзном симпозиуме (Москва, 1989) "Но-" ;е яаропрочные и жаростойкие металлические материалы"; I Ураль-:ой конференции (Свердловск, 1984) "Поверхность и новые материалы".

Публикации. По теме диссертации опубликовало 20 печатных работ, получено 2 авторских свидетельства и I положительное решение по заявке на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, включает 130 страниц машинописного текста, 61 рисунок, 27 таблиц и список литературы из 128 наименований.

. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы актуальность теш, цель диссертационной работы и основные положения, представленные к защите.

Глава I. Защита жаропрочных-никелевых сплавов от высокотемпературного окисления и газовой коррозии.(Аналитический обзоо)

Глава посвящена критическому обзору литературы по проблеме зашиты жаропрочных никелевых сплавов от высокотемпературного окисления и коррозии. Из анализа литературных данных о свойствах поверхности жаропрочных никелевых сплавов при взаимодействии с агрессивной газовой средой, условий работы лопаток турбин ГТД можно сделать вывод, что для защиты лопаток ГГД необходимо применять жаростойкие покрытия, в основном, алюминидного класса.

Развитие технологии литья по выплавляемым моделям и необходимость улучшить охлаждение деталей турбины привели к созданию конструкций полых воздухоохлаждаемых лопаток, что, в свою очередь, выдвинуло проблему повышения жаростойкости поверхностных слоев в каналах охлаждения и их зашиту от высокотемпературного окисления.

Рассмотрены причины недостаточной надежности применяемых покрытий на никелевых сплавах и пути повышения эксплуатационных свойств: оптимизация содержания алюминия в зависимости от конкретных условий эксплуатации, легирования элементами, повышающими термическую стабильность покрытий и защитные свойства окисной пленки,

8

создание барьерных слоев. Показано, что наиболее перспективным является создание и формирование многокомпонентных покрытий.

Рассмотрены современные отечественные и зарубежные методы получения защитных покрытий на лопатках из никелевых жаропрочных сплавоЕ, в том числе рассмотрены методы, позволяющие получать покрытия на внутренних поверхностях охлаждаемых лопаток. Имеющиеся в литературе данные показывают, что наиболее производительными и технологичными яеляются методы осаждения из газовой фазы, а применительно к лопаткам ГТД один из их разновидностей - газовый циркуляционный неконтактный метод, в наибольшей степени удовлетворяющий требованиям, предъявляемым к процессам диффузионной металлизации сложных по конфигурации внутренних поверхностей лопаток.

На основании анализа литературы определена цель работы и поставлены задачи исследования.

Глава 2. Материалы, оборудование для нанесения покрытий, методы испытаний и исследования

Для получения защитных покрытий на-наружных и внутренних поверхностях охлаждаемых лопаток ГТД, имеющих сложную конфигурацию внутренней полости, разработана и изготовлена опытно-прожзленная установка, в которой реализована идея принудительной циркуляции насыщающей газовой фазы как вокруг наружных поверхностей, так и по внутренним каналам лопаток. Установка состоит из печи с футерованной камерой и электронагревателями, герметичного жаростойкого муфеля с крышкой, на которой смонтирован электродвигатель вентилятора, обеспечивающего циркуляцию насыщающей газовой среды. Муфель с помощью трубопровода соединен с откачной системой, в которую входит фильтр-холодильник и форвакуумный насос. Покрываемые лопатки размещаются в специальной оснастке. Разовая загрузка установки зависит от размеров лопаток и может достигать нескольких десятков рабочих лопаток.

Б данной установке наносили защитные покрытия на образпк и лопатки из сплавов ХНвОВТ (ЭИ-868), ЕС6У, ЖССЗНК, ЕС26БКК, широко использующиеся при изготовлении современных АГТД. В насыпающих смесях в качестве поставщиков диффузантов использовали промышленные порошки сплава железо-алюминий (54 мас.$ //£ ), никеля, никель-ит-триевой лигатуры (~10 мае.? У ), хрома. В качестве инертной добавки использовали окись алюминия, а для создания транспортной газовой фазы и активатором пропесса был выбран хлористый аммоний.

Для сравнения в работе также были использованы порошковые алю-минидныэ покрытия на сплаве ЖС6У и покрытия, полученные методом хромоалитирования в вакууме на сплаве ЖС26БНК.

Жаростойкость сплавов с покрытиями определяли на стандартных образцах в открытых пирконовых тиглях при изотермическом окислении. Окислению также подвергались лопатки с нанесенными покрытиями. Кратковременные испытания (до 300-500 часов) проводили при температуре ПОО°С, длительные (до 1000 часов) при Ю50°С.

• Оценку жаростойкости сплавоЕ с покрытиями производили по удельному увеличению массы образцов после теплоЕКх выдердек, а также по характеру изменения микроструктуры, фазового состава, мккро-твердостк, распределения легирующих элементов по толщине покрытия.

В работэ было исследовано влияние "покрытий на жаропрочные свойства защшдаемых сплавов: длительную и кратковременную пгочность при различных температурах, сопротивление неизотермической ползучести на спокойном воздухе и при воздействии скоростного воздушного потока, сопротивление многопиклоней усталости.

Фазовый состав и структуру покрытий исследовали методами металлографии на шкр ос копах '2 и 21, рентгено-струкгурного анализа на дифракгометрах ДР0Н-2.0, ДРСК-3,0,УГС-бСК,', а также с использованием камеры КРОС. С помощью растрового электронного ыикроскопа-микроаналнзатора С&тевлх микроструктура изучалась как во вторичных электронах, так и в характеристическом рентгеноЕ-

10

зкем аздучзняи агамаягя, хрема, никеля, тстааа, гсдьФозка, :гслиб-пена. Исследования распределения легкруапрх элементов по глубине покрытий выполняли па рентгеновском микроаналазатсре М$-46„Сдтесй с псмссью растрового электронного мпкроскопа-микрсанализатсра • ?с'.1'А-2С2. В качества эталонов были использованы специально выплавленные однофазные сплавы >А/¡-Л£ , а такте чистые металлу. Определение содержания гелеза и алюминия в насыгпдютих порошковых смесях проводили методам ксмплексонометрического и поте;шлсметри-ческсго титрования.

Глава 3. Ратработка технологии нанесения и исследование алюминидяых покрытий, полученных циркуляционным газовым методом

Подсобно изучены основные параметры, определяющие строение состав алюмиякднше покрытий, полученных газовым методом на никелевых сплавах, такие как температура и время пропесса, давлеягз транспортной газовой фазы, условия циркуляции. Выделены ваяно йгза параметры - соотношение площадей поверхностей насыщающего материала я кгсыадемсго металла, состояние насысввщэго элемента - алюминия -в насыпающем материале. Данные параметры, при прочих равных условиях, определяют активность процесса газового алитирования, что в значительней мере влияет на концентрацию алюминия, строение и состав алюминидных покрытий.

На примере насыщения сплава ЖС6У показано, что при сопоставимых величинах площадей яасыидюяей поверхности (порошка' сплава Ре-М ) к насыщаемой поверхности (лопаток) наблюдается больпое поресысение транспортной газовой фазы алюминием и реализуется активный процесс алитарсвагаи с преимущественной диффузией алюминия вглубь сплава. В наружной зоне покрытия (состоящей из р )

при этом присутствуют все основные элементы сплава, содержание алюминия в составляет 28-31 мас.З. При уме несения плсиади

II

поверхности насыщающего порошка наблюдается низкое пересыщение алюминием газовой фазы, реакция образования переносчиков алюминия (субхлоридов) в газовой фазе становится лимитирующей, и реализуется малоактивный механизм формирования алюминидного покрытия с преимущественной диффузией никеля из насыпаемого сплава-подложки через слой образующегося интерыеталлида \p-NtJlE . Содержание ео внешней зоне при этом составляет 24-25 мае.*, хрома и кобальта 3-5 и 6-8 соответственно,\л/, Ио,Т> не регистрируются. К реализации малоактивного процесса также приводит падение концентрации алюминия на поверхности насыщающего порошка сплава железо-алюминий и фиксация азота на Ре-АН. с образованием стабильного по отношений к газовой фазе соединения »Л2Ы при проведении процессов, препятствующего выносу алюминия в газовую фазу. Кроме этого, высвободившийся при разложении хлористого аммония азот селективно взаимодействует с легирующими элементами сплава лопаток, а именно: с титаном, имеющим из легирующих сплав переходных металлов наибольшее сродство к азоту и углероду. Это взаимодействие происходит на стадии нагрева под актирование е приводит к связыванию титана в нитриды и нарбонитри-ды на первоначальной внешней поверхности сплава, в дальнейшем являзо шэйся границей раздела зон. Путем проведения определенных временных выдержек в интервале 700-900°С достигается прерывистое строение цепочки карбонктридов титана на границе раздела зон, вследствие чего эффективно снижается его растворимость во внешней зоне, что способствует повышению жаростойкости покрытий.

Строение и состав диффузионной зоны при малоактивном газовом алнтировании сплаЕа ЕС6У в основном определяется составом сплава. Показано, что матрицей диффузионной зоны яаяяются и

^"-'А(ближе к сплаву) с наличием столбчатых вытянутых выделений на основе переменного ОЦК твердого раствора хрома и вольфрама, дисперсных округлых фаз на основе с£~Сг и и пергичных карби-

дов сплава.

Показаны различия в строении л составе алюминндных покрытий, полученных циркуляционным газовым метолом на различных никелевых сплавах (ЕС6У, ЕС65, дС2С, ХН60ВТ). Различия в строении и структуре покрытий е осноенсм связаны с различием структурного и фазового состава исследуемых сплавсЕ. Особенности структуры и фазового состава сплэеов КС65 и £С26 могут влиять на надежность и долговечность алюминидных покрытий на дачных сплавах. Можно Еыделить в связи с этим четыре осноеных момента:

1. Преимущественное формирование на поверхности данных сплавов аламинидных покрытий со структурой внешней зоны по типу £> -твердого раствора Еычитания с наличием структурных вакансий по никелю, что обусловливает их повышенную хрупкость. Содержание Ж во внешней зоне при этом составляет 30-33 мае.%,Сгл' 1-2 мас.^.и' , Т| ,ГАо не наблюдается, что подтверждает малоактивный механизм формирования.

2. Технологическое снижение концентрации алюминия приводит к формированию покрытий со структурой внешней зоны по типу Р -твердого раствора замещения с 20-24 мас.% Ж , однако низкое содержание хрома (~1-2 мас.£), вызванное его низким содержанием в сплавах, может приводить к нестабильности пересыщзнной никелем р -фазы, которая пси охлаждении ксжет перестраиваться в тетрагональный мартенсит с решеткей типа , что сопровождается большим изменением объема, внутренними напряжениями и возможным трешинообразо-ванием в защитном слое.

3. Вышеназванные особенности формирования защитных алюмянпдных покрытий на сплавах 2С6ФКК и ЕС26ЕНК можно напрягшую связать с большей термической стабильностью упрочняющей ^ -фазы

данных сплавов по сравнению со сплавом ЕС6У.

4. Система легирования сплава ЕС&5НК вызывает появление в структуре сплава крупных двойных карбидов типа №г\л/;,С , которые, располагаясь на поверхности сплава, затрудняют формирование в дан-

13

ных местах защитного слоя и могут являться местаыл опережающего окисления, а тагпо дополнительными концентраторами наполнений.

Глава 4. Разработка легированных покрытий алюмлаидного

класса

Вследствие характерных недостатков алюминидных покрытий, полученных из газовой фазы на низкохрокистых сплавах, а также для увеличения надежности и долговечности лопаток, особенно отливаемых методами направленной кристаллизации, был разработан двухстадийный процесс получения газовым циркуляционным методом легированных алюминидных покрытий системы N1-С(*--А6 . совместное осаждение указанных элементов сравнительно затруднено вследствие различно? способности переноса элементов с помощью галоидов п различных кояф-1нш;ектоЕ диффузии их в сплавы-подложки. Поэтому на перЕой стадии осуществляли насыщение М .(.Г* .V , а на второй - . Легирование хссмом на первой стадии предпочтительнее, исходя из следующих моментов. Во-первых, хром сравнительно легко переносится с помощью галоидов, во -вторых, легирование хромом должно уменьшить термическую стабильность поверхностной упрочняющей -пфазы и облегчить дальнейшее формирование алюминидного покрытия, в-третьих, хром эффективно стабилизирует образующуюся £ -фазу при насыщении алюминием.

ПроЕеденная теоретическая и экспериментальная опенка использования насышаюших смесей,содержащих С(* , N'1 , У , М^Оъ , показала возможность легирования C^ , V поверхностных слове 'харспрочных никелевых сплавов при выбранном варианте циркуляционного газового метода. Результаты исследования показывают, что легирование поверхности сплавов только хрсмсм нецелесообразно, так как это приводит к появлению кроме ^Г -твердого раствора Сг в М бсльшизс количеств высокохромистых фаз. Дгбавки NI в насыщающую смесь предотвращают образование высокохрсмпстых фаз вследствие

. 14

уменьшения обшей активности хрома, а также приводят к формированию слоя в основном за счет насыщающих элементов. Разработан рациональный состав насыщающей смеси для предварительного легирования поверхности жаропрочных никелевых сплэеое, мас.^: никель - 16-20, иттрий - 3-5, хром - 22-26, окись алюминия - 49,5-50,5, хлористый аммоний - 3,5-4,5.

Использование указанной насыщающей смеси приводит к формированию на поверхности никелевых сплавов диффузионных ff.( Mi-Cr) слоев, состав и структура которых зависит от состава сплава-подложки и в меньшей степени от структурной стабильности его фазоЕых составляющих. Исследованы температурно-Еременные зависимости формирования ft (Ni'Cf ) слоев. Кроме этого показано, что состав и структура ft ( Ni - Сг ) слоев такта зависит от процессов, протекающих в насышаюшей смеси и в транспортной газовой фазе. Так, присутствие балластных примесей азота, образующихся при разложении хлористого аммония, приводит к появлению в структуре 'Jf (Wi-Cr ) слоев выделений игольчатых фаз на основе yiCiNOOs. Предотвратить их появление предложено путем локализации азотсодержащих радикалов на специально вводимом в камеру установки ингибиторе-порошке сплава железо-алюминий.

Рассмотрен механизм формирования, структура и состав покрытий системы iVI - Cf" - -А £ на различных никелевых жаропрочных сплавах, образующихся в результате проведения малоактивного газового циркуляционного алитироЕания никелевых сплавов с предварительно нанесенным (Ni -Cf ) подслоем. Показано, что хром из ft ( Nit ~Cr ) слоя при насыщении алюминием входит в состав образующегося fi -твердого гастЕора замещения, где его концентрация достигает 5-6 мас./S, кроме этого ео внешней зоне покрытий присутствуют дисперсные Еыделения - Ct ш Диффузионная зона при этом, в ссноеном, состоит из СЦК и OUT твердых растворов на основе вольфрама и хрома. Нивелировка поверхностного состава жаропрочных сплавов после пгед-

15

Еарительногс нанесения ^ ( №" Се ) подслоя приводит к "похожести" и однотипности формирования структуры и состава покрытий № - Сг-ле на сплавах ЕС6У, ЕС6ФНК, ЕС26ВНК.

В работе сделана опенка зеренной структуры внешней зоны разработанных и некоторых других типов покгытий. Установлено, что покрытия на жаропрочных сплавах с предварительно нанесенным ^ (И>-Сс ) подслоем и последующим малоактивным газовым алитированием, а также Гчисто" малоактивные алгоминидные покрытия, полученные циркуляционным газовым методом, характеризуются эпитаксиальным ростом кристаллитов £ -фазы и крупнозернистой структурой внешней зоны с малым количеством высокоугловых границ. Покрытия, полученные высокоактивным газовыми и порошковыми методами, вследствие больших пересыщений по алюминию и ускоренному процессу зародышеобразоЕания характеризуются развитой дисперсной структурой кристаллитов £> -фазы в наружной зоне с большим количеством еысокоуглоеых гранил.

Глава 5. Исследование влияния алюминидяых покрытий

и покрытий системы Ы1-Сг-А£ , полученных циркуляционным газовым методом на свойства жаропрочных сплавов

Предварительная обработка жаропрочных сплавов, заключающаяся в легировании поверхности N1 - С?' >и последующее проведение газового алитировавЕЯ по малоактивному механизму (вторая стадия формирования покрытия позволило повысить жаростойкость и долговечность защитных покрытий, получаемых циркуляционным газовым методом. По результатам исследования структурных и фазовых превращений, протекающих при насыщении и при проведении различных испытаний, общую схеьу положительного влияния предварительной обработки на защитные свойства покрытий можно представить следующим образом:

I. Хром из ^ ( N¡-0" ) слоя при насыфнии алюминием входит е

ссстав fi -фазы в вида твердого раствора заь;ешэиия, где его концентрация достигает 5-6 ыас.%, кроме этого, во внешней зоне покрытий'присутствуют дисперсные выделения на основе d--Cc . Диффузионная зона содержит повышенное количество хрома и вольфрама и в 'основном состоит из ОЦК и СЦТ твердых растворов на основе вольфрама и хрома.

2. В результате диффузионного перераспределения при высокотемпературном окислении содержание хрома во внешней зоне Ni-Cr-J£ покрытий возрастает до ~ 10 мас.$, что повышает стабильность ft -фазы N. Ае и способствует образованию d-J6-zOj при меньших концентрациях алюминия. Этому также способствует повышенное содержание хрома в диффузионной зоне и ее метастабильность при проведении тепловых выдержек, проявляющаяся в превалирующей диффузии хрома

во внешнюю зону, и замедлении встречной диффузии алюминия Еглубь сплава.

3. Вследствие вышесказанного наблюдается замедление кинетики потери алюминия из внешней зоны двухстадийных покрытий по сравнению с газовым алитированием при проведении окисления. Работоспособность покрытий Ni - Сг-^6 для сплавов ЖС6У и НС26ВНК при И00°С составляет 500 часов, для сплава НС26ВНК при 1050°С - 1000часов. Ресурс работы малоактивных газовых алюминидных покрытий для

сплавов ЕС6У при ПСС°С составляет 300 часов и для сплава 2С6ФНК также 300 часов при Ю50°С.

На основании результатов испытаний на -неизотермнческуа ползучесть установлено, что разработанные покрытия, полученные циркуляционным методом, предохраняя поверхность сплава от высокотемпературного окисления, повышают долговечность сплавов в 1,5-2 раза при испытаниях в нестационарных условиях на спокойном воздухе и в скоростном воздушном потоке. На долговечность покрытий, полученных газовым методом,также положительно влияет реализуемая зеренная структура внешней зоны с малым количеством Еысокоугловых границ,

17

что пси высоких температурах ведет к уменьшению ползучести и разрушения по границам зерен кристаллитов р -фазы. Более высокое число циклов до разрушения у образцов с покрытием Ам-Сг-^С связано с большей жаростойкостью защитного слоя при примерно одинаковой зеренной структуре внешней зоны покрытий, а также, видимо, с положительным влиянием легирования иттрием.

Применение защитных покрытий возможно только в тем случае, если реализуются свойства основного материала, заложенные легированием и термообработкой. В связи с этим в работе исследовано влияние покрытий на механические свойства, длительную и кратковременную прочность и предел усталости сплавов КС6У и ЖС26ВНК. Из рассмотрения приведенных данных следует, что оба типа разработанных покрытий практически не влияют на характеристики прочности £>& и б0л при 975 и ЮСО°С. Наличие покрытий оказывает положительное Елияние на длительную прочность сплэеое КС6У и ЖС26ВНК, наблюдается тенденция к повышению долговечности (Бремени до разрушения) образцов с покрытиями, особенно с . ~ Сг -ЛС . Испытания на сопротивление многошююеоИ усталости показало, что при 9С0°С и

с

ограниченной базе испытаний 5-Ю шклов газовое алитирование сплава ЕС6У ^ на 105? повышает предел ограниченной выносливости, а покрытие N/1' Се на столько же снижает предел ограниченной еыносливости. Испытания при температуре 10С0°С и нормальной базе 2-10 циклов для сплаЕа ЖС26БНК показали, что при нанесении покрытия N1 - наблюдается, тенденция к повышению усталостных характеристик по сравнению с непокрытыми образцами'. Различие результатов испытаний, скорее всего связано с тем, что в алшинидных пскрытиях формирование в процессе насыщения сжимающих напряжений способствует некоторому повышению сопротивления усталости. Наличие лекального пика растягивающих напряжений (на границе раздела зон) в -Сг-^С - покрытиях снижает предел ограниченной еыносли-еости. При повышении температуры'и числа циклов испытаний повыше-

18

ние усталостных характеристик образцов с М покрыти-

ем можно связать с релаксацией внутренних макронапряжений вследствие р-акций перехода еС-,/3- ^ ' .

Приведенные данные по результатам эксплуатационных стендовых 1" с пита ний разработанных покрытий в составе различных газотурбинных двигателей по программам эквивалентных циклических испытаний на увеличенный ресурс показали высокую работоспособность разработанных покрытий, что позволило внедрить газовое малоактивное алитиро-вание для зашиты рабочих лопаток I и 2 ступеней из сплаЕа ЖС6У. На процесс газового актирования Еыпушена отраслевая технологическая рекомендация, создан производственный участок для газового циркуляционного насыщения лопаток, выполняющий годовую программу предприятия. Покрытие N1 ~Сг- Яв рекомендовано для зашиты рабочих и сопловых лопаток, ссстаЕлена производственная технологическая инструкция, спроектирован и создается производственный участок с использованием разработанного промышленного варианта высокопроизводительных газовых циркуляционных установок.

ВЫВОДЫ

1. Для получения защитных покрытий на наружных поверхностях и внутренних каналах охлаждаемых лопаток ГТД разработаны и изготовлены опытные и прскыилешше циркуляционные установки. Получаемые покрытия равномерны и однородны по составу на Есех поверхностях лопаток любой конфигурации.

2. Изучены основные параметры, определяющие строение и состав 1ЛЮМЛНИДНЫХ.покрытий, полученных газовым методом на жаропрочных Киселевых сплавах. Выделены важнейшие параметры - соотношение площадей поверхностей насыщающего материала и насыщаемого металла, и со-тояние насыщающего элемента - алюминия - в насыпающем материале, анные параметры при прочих равных условиях определяют активность роцесса газового алитирования вследствие различной степени пересыта

шонкя газоЕой среды субгалогенидами алюминия, что е значительной море влияет на концентрацию алюминия, строение и состав алюминид-ннх покрытий. Наличие в транспортной газовой среде,-кроме субгалоге-нидов алюминия, радикалов азота может уменьшать степень пересыщения по алюминию вследствие образования нитридов алюминия в насыщающем сплаве железо-алюминий и увеличивать жаростойкость покрытий путем связывания избыточного титана в карбонитриды на поверхности никелевых сплавов. Особенности структуры и фазового состава низкохромистых направленно-кристаллизованных сплавов Ь'С&МЖ и £С26ВНК, прежде всего повышенная термическая стабильность упрочняющей J*'-фазы, могут влиять на надежность и долговечность алюминидных покрытий вследствие преимущественного формирования хрупкого £> -твердого раствора Еычитания и возможности шртенситного превращения £ пересыпанной по никелю fi -фазе Ni.Qd с низким содержанием хрома.

3. Показано, -что повышение долговечности покрытий,полученных газовым методом, особенно для низкохромистых сплавов, можно достич путем предварительного легирования поверхности сплэеое хрсмсм, никелем, иттрием. Предложен рациональный состав насыщающей смеси для формирования предварительного ^ ( Ni'Cr) подслоя газовым методе;.

Состав для предварительной обработки, тс.%: никель - 16-20; иттрий - 3-5; хром - 22-26; окись алюминия - 49,5-50,5; хлористый аммоний - 3,5-4,5.

Проведение газового малоактивного алитирования никелевых спл вов с предварительно нанесенным ft ( N«-Сг ) подслоем приводит к формированию Ni-Cf-J^" покрытий со структурой Енешней зоны по типу Jb -твердого раствора замещения, предельно легигованногс хромом и с наличием дисперс):ых выделений d--Ct .

4. Установлено, что покрытия на жаропрочных сплавах, с npejxi рительно нанесенным ft ( Ni-Cf) подслоем и последующим мглоактз дам газовш алитировгнием, а также "чисто" малоактивные алюминид' ные покрытия, полученные циркуляционным методом, характеризуются

штаксиалъпым ростом кристаллитов & -фазы и крупнозернистой груктурсЛ внешней зоны с малым количеством высоксугловых границ, жрытия,полученные высокоактивными газовыми и. порошкошми метода-I, вследствие больших пересыщений по алюминию и ускоренному пр'о-гссу зародышеобразования характеризуются развитой дисперсной груктурой кристаллитов -ф>азы в наружной зоне с большим коли-зетвем высоксугловых границ.

5. Экспериментально показано, что газовое покрытие -(.г-Л? по защитным свойствам (жаростойкость, неизотермическая злзучесть) значительно превосходит газовое алитироЕание, а по таянию на жаропрочные свойства защищаемых сплзеоэ (кратковремэн-зл и длительная прочность, усталость) практически не отличается

г последнего.

6. Проведенные эксплуатационные испытания подтверждают хороню работоспособность разработанных покрытий для охлаждаем.;- лопа-зк ГТД при увеличении ресурса работы.

7. Разработанная технология газового алитлрования внедрена в роиззодстео. Создан участок для газового циркуляционного насыщэ-зя лопаток, выполняющий годовую программу предприятия. Для Енед-эния пскрытпй М| - Сг-ЛС для заищты рабочих и сопловых ло-аток спроектирован z создается производственный участок с исполь-ЭЕанием разработанного промышленного варианта высокопроизводитель-JX циркуляционных установок. Повышение надежности и долговечности ггетственных деталей газовых турбин за счет нанесения защитных пс-рытий позволило получить фактический экономический эфрект

:35,0 тыс.руб.и специалышй эффект.

Основные результаты диссертации опубликованы в следуюшзх зботах:

. Перспективы циркуляционного метода нанесения жаростойких покрытий на охлаждаемые лопатки ГТД / Бекслер Ю.Г., Лесников В.П.,

21

Кузнецов В.П., Горошенко Ю.О. // Конструкционная прочность двигателей: Тез. докл. 9 Всесоюзной конференции. Куйбышев. 1983. С.39-40.

2. Горошенко Ю.О. Исследование алшияадных покрытий на внутренних полостях охлаждаемых лопаток ГГД из сплава ЖС6ФНК // Лопатка и методы ее защиты: Тез. докл. 2 .Всесоюзной конференции ыол.спеп. Куйбышев. 1983. С.20-21. Открытой публикации не подлетит.

3. Горошенко Ю.О. Исследование высокотемпературного окисления сплавов ЕС6К и 1С6У, алитированных циркуляционным газовым методом // Современные проблемы металловед, и терм. обр. металлов: Тез. докл. У1П Уральской школы металловедов-термистов. СЕердлоЕСк-Пермь. 1983. С.81-82.

4. Исследование алюминвдннх покрытий на жаропрочных никелееых сплавах / Лесников В.П. ,< Кузнецов В.П., Рожко А.Л., Горошенко Ю.О. и др. Н Термическая обработка и физика металлов.Вып.9. Меявузовск.сборник. Свердловск: изд. УПИ, 1984. C.II3-II9.

5. Механизм формирования и свойства алюминидных покрытий на жаропрочных никелевых .сплавах / Лесников В.П., Кузнецов В.П., Кух-тин М.В., Белых Ю.А., Горошенко Ю.О. Ц Металловедение и термическая обработка металлов. 1985. № I. С.18-21.

6. Разработка и исследование свойсте жаростойких покрытий, полученных циркуляционным газовым методом I Лесников В.П., Кузнецов В.П., Кухтин М.В., Горошенко Ю.О. /У Температуроустойчивые покрытия. Л.: Наука, 1985. С.93-97.

7. Горошенко Ю.О., Стяжкин P.A., Кузнецов B.1I. Циркуляционное газовое никельхромоалитирование охлаждаемых лопаток ГТД // Конструкционная прочность двигателей: Тез.' докл. 10 Всесоюзной конф. Куйбышев. 1985. С.43-44.

8. Структура и свойства защитных покрытий, полученных газовым ме-'тодом на сплаве ЖС6ФНК / Векслер Ю.Г., Лесников В.П., Кузне-

пев В.П., Горошенко Ю.О. и до. // Термич. обр. и физика металлов. Bun.II. Межвузовский сборник. Свердловск: изд. УПИ, 1986. С.113-П7.

. Пластичность и прочность алюминидных покрытий на сплаЕе ЕС6У / Лесников В.П., Кузнецов В.П., Рожко А.Л., Горошенко Ю.С. // Ускорение научно-техн.прогресса в металловедении и термич.обработке: Тез.докл. X Уральской школы металловедов-термистов. Устинов,- 1987. 130 с.

. Влияние углерода сплава-подложки на свойства алюминидного покрытия типа ß -твердый раствор вычитания / Копылов A.A., Горошенко Ю.О., ДЕОрешсий О.В. и др. // Физика и химия обработки материалов. М. , 1989," вып.2. С.68-71.

. Влияние структурного состояния жаропрочных сплавоЕ на пропесс бесконтактного диффузионного хромирования / Лесников В.П., Копылов A.A., Кузнецов В.П., Горошенко Ю.О. // Тез.докл. I Все-ссюзн. симл. "НоЕые жаропрочные и жаростойкие металлические материалы". 4.1. Ы.: Минчермет, 1989. С.134-135.

. Структура и свойства Ni-Сг-Лб покрытий, полученных газо-еым методом на сплавах типа ЕС6 / Горошенко Ю.О., Копылов A.A., Кузнецов Б.П. и др. // Термическая, химико-термич.'и лазерная обработка сталей и титановых сплавов. МежЕузовск.сборник научн, трудов. Пермь, 1989. С.72-76.

. A.c. Л 1238597 (СССР). Способ алитирования деталей, преимущественно лопаток из жаропрочных сплавов с узкими внутренними каналами / Векслер Ю.Г., Кузнецов В.П., Лесников В.П., Горсшен-

' ко Ю.О. и др. 1984. Открытой публикации но подлепит.

. A.c. Ji I35IIG0 (СССР). Способ газового алитирования изделий из жаропрочных сплавоЕ, легированных титаном / Векслер Ю.Г,, ' Кузнецов В.П., Лесников В.П., Горошенко Ю.О. и др. 1985. Открытой публикации не подлежит. ~

15. Ссстаг. смеси для нанесения занятного легированного покрытия для деталей из жаропрочных сплаьов 1 Горошенко Ю.О., Ксгш-лов А.А., Кузнецов В.П. и др. // Положительное решение по заявке № 4445790/31-02. от 30.01.89.

Подписано в печать 22.04.91 Формат 60x84 I/I6

Бумага "писчая . Плоская печать Усл.п.л. 1,39

Уч.-изд.л. 1,09 Тирад 100 ■ Заказ 8 . Бесплатно

Редакционно-издатель'ский отдел УПИ пм.С.М.Кирова 620002, Свердловск, УПИ, 8-й учебный корпус Ротапринт УШ. 620002, Свердловск, УПИ, 8-й учебный корпус