Введение

Высокотемпературные ниобиевые композиционные материалы (КМ), упрочненные силицидами ниобия, обладают преимуществами перед жаропрочными никелевыми сплавами (ЖНС) [1–6]. Плотность ниобиевых КМ составляет 6,2–7,6 г/см³ (для сравнения плотность ЖНС достигает 9,0–9,2 г/см³), что позволит на 20% снизить весовые характеристики ротора ТВД перспективного двигателя.

Применение лопаток ТВД из естественно-композиционного материала на основе ниобия позволит повысить температуру рабочих газов перед ТВД на 200–300°С, что приведет к повышению удельной тяги двигателя, а также к снижению:

– удельного расхода топлива – на 15–20%;

– эмиссии оксида азота (NO_x) – на 80%;

– эмиссии оксида углерода (СО₂) – на 20%.

Однако следует отметить, что несмотря на явные преимущества по жаропрочности ниобий не формирует защитной оксидной пленки и подвергается интенсивному окислению при температурах выше 500°С [7]. Для повышения жаростойкости ниобия требуется комплексное легирование КМ либо защита поверхности деталей из него жаростойкими покрытиями [8–16].

До настоящего времени вопросы повышения жаростойкости ниобиевых сплавов путем их комплексного легирования не решены. Таким образом, проблема защиты деталей из естественно-композиционного материала на основе ниобия от высокотемпературного окисления путем использования жаростойкого покрытия весьма актуальна.

Материалы и методы

Исследования проводили на цилиндрических образцах из жаропрочного сплава на основе ниобия.

В качестве жаростойких покрытий для защиты деталей ГТД из ниобиевых сплавов от высокотемпературной газовой коррозии выбраны композиции на основе кремния, углерода или азота, хрома и хрома с углеродом или азотом (рис. 1).

Рис. 1. Схематичное изображение жаростойких покрытий, наносимых на сплавы на основе ниобия (слой 1 – модифицированная поверхность сплава, выполняющая функцию барьерного слоя, препятствующего взаимной диффузии элементов покрытия и подложки; слой 2 – жаростойкий слой на основе кремния)

Нанесение композиций жаростойких покрытий на поверхность образцов из жаропрочного сплава на основе ниобия проводили диффузионным способом в камерной электропечи сопротивления на воздухе для процесса насыщения углеродом и в атмосфере аргона для процессов хромирования и силицирования. Перед нанесением диффузионного покрытия образцы промывали в ацетоне и нефрасе. При термодиффузионном насыщении образцы загружали в контейнер с рабочей смесью, а затем помещали в предварительно разогретую до температуры процесса печь. Азотирование проводили в вакуумной печи для химико-термической обработки (в качестве насыщающего газа использовали азот).

Для проведения испытаний и исследований выбраны композиции жаростойких покрытий следующих составов (рис. 2): N+Si; C+Cr+Si; Cr+Si; C+Si; Si.

Рис. 2. Микроструктура (×500) жаропрочного сплава на основе ниобия с покрытиями
N+Si (а), С+Cr+Si (б), Cr+Si (в), C+Si (г) и Si (д) в исходном состоянии

Испытания на изотермическую жаростойкость образцов из жаропрочного сплава на основе ниобия с защитным жаростойким покрытием проводили в камерной электропечи Nabertherm в закрытых керамических тиглях на воздухе при температурах 1100, 1300 и 1350°С в соответствии с ГОСТ 6130. Оценку жаростойких свойств образцов из ниобия с защитным жаростойким покрытием осуществляли с помощью гравиметрического метода. Измерение массы образцов проводили после 5, 10 и 15 ч испытаний. Удельное изменение массы образцов (Δm_t, г/м²) рассчитывали по формуле:

Δm_t=(m_t-m₀)/S,

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

Микроструктуру образцов исследовали на оптическом микроскопе Olympus GX-51.

Результаты

Проведены металлографические исследования образцов из жаропрочного сплава на основе ниобия с жаростойкими покрытиями в исходном состоянии.

В результате проведенных исследований микроструктур образцов из жаропрочного сплава на основе ниобия получены данные о толщине слоев покрытий (табл. 1).

Таблица 1

Толщина защитных жаростойких покрытий

Анализ результатов испытаний на жаростойкость образцов из жаропрочного сплава на основе ниобия с диффузионными жаростойкими покрытиями экспериментальных составов (Si, C+Si, Cr+Si, C+Cr+Si, N+Si) и без них показал (рис. 3), что:

– диффузионное покрытие системы N+Si не обеспечивает защиту сплава при температуре до 1350°С (рис. 3, I);

– на образцах с диффузионным покрытием состава C+Si на торцах наблюдаются очаги коррозии (рис. 3, IV);

– диффузионные покрытия Si, Cr+Si, C+Cr+Si обеспечивают защиту жаропрочного сплава на основе ниобия при температуре до 1350°С на базах до 15 ч (рис. 3, II,III,V);

– высокотемпературная эксплуатация жаропрочного сплава на основе ниобия без покрытия невозможна (рис. 3, VI);

Потери удельной массы образцов из жаропрочного сплава на основе ниобия после 15 ч испытаний на изотермическую жаростойкость при 1350°С приведены в табл. 2.

Таблица 2

Удельное изменение массы образцов из жаропрочного сплава на основе ниобия
с покрытиями и без них после испытаний на изотермическую жаростойкость
при 1350°С в течение 15 ч

Рис. 3. Внешний вид образцов из жаропрочного сплава на основе ниобия с покрытиями состава N+Si (I), С+Cr+Si (II), Cr+Si (III), C+Si (IV) и на основе Si (V) и без них (VI) после испытаний на жаростойкость по режимам:

а – при 1100°С, 2 ч; б – при 1300°С, 15 ч; в – при 1350°С, 15 ч; г – при 1100°С, 15 ч; д – при 1100°С, 25 ч; е – при 1300°С, 1 ч; ж – при 1350°С, 15 ч

После испытаний на жаростойкость при 1350°С в течение 15 ч, исследовали структуру покрытий на образцах из жаропрочного сплава на основе ниобия с покрытиями Si и Cr+Si. Для этого провели металлографические исследования указанных образцов. Определено, что покрытия после испытаний сохранились, имеют равномерную и однородную структуру (рис. 4).

Рис. 4. Микроструктура образцов из жаропрочного сплава на основе ниобия с покрытиями Si (а) и Cr+Si (б) после испытаний на жаростойкость при температуре 1350°С в течение 15 ч

Проведены исследования влияния структурной неоднородности поверхности образцов из жаропрочного сплава на основе ниобия на защитные свойства жаростойкого покрытия в области температур до 1350°С. Для этого на образцы из жаропрочного сплава на основе ниобия с различными поверхностными дефектами (поры, микротрещины, сохранившиеся после гомогенизационного отжига вторичные фазы на поверхности образцов) диффузионным методом нанесены покрытия Si и Cr+Si (рис. 5).

Рис. 5. Внешний вид образцов из жаропрочного сплава на основе ниобия с поверхностными дефектами:

а – поры на поверхности; б – микротрещины на поверхности; в – вторичная фаза на поверхности образца, сохранившаяся после гомогенизационного отжига (образец после цементации)

Рис. 6. Внешний вид образцов из жаропрочного сплава на основе ниобия (с дефектами в поверхностном слое) с покрытиями на основе Si (а, б) иСr+Si (в, г) после испытаний на жаростойкость при температуре 1350°С в течение 2 ч

Установлено, что все образцы с покрытиями после 2 ч испытаний при температуре1350°С начали разрушаться. Причиной разрушения явились дефекты структуры поверхности образцов: поры (рис. 6, а), микротрещина (рис. 6, г) и вторичная фаза, сохранившаяся после гомогенизационного отжига (рис. 6, б, в). Таким образом, выявлено, что наличие указанных дефектов в поверхностном слое жаропрочного сплава на основе ниобия приводит к катастрофическому снижению жаростойкости покрытия (все образцы доведены до разрушения).

Обсуждение и заключения

На основании проведенных исследований установлено, что цементацию образцов из жаропрочного сплава на основе ниобия проводят с целью формирования барьерного слоя под жаростойким покрытием, препятствующего взаимной диффузии элементов покрытия и сплава. При отсутствии барьерного слоя диффузия элементов покрытия в сплав приводит, с одной стороны, к нарушению элементного баланса сплава и, как следствие, к разупрочнению сплава, с другой – к резкому снижению жаростойкости покрытия.

Хромирование поверхности сплава из ниобия проводят с целью повышения жаростойкости покрытия и предположительного образования на поверхности фазы Лавеса (NbCr₂), которая также повышает жаростойкость покрытия; силицирование – для формирования жаростойкого силицидного покрытия на поверхности сплава, которое (в отличие от алюминидных покрытий) способно обеспечить защиту сплава при температурах 1350°С и выше.

По результатам сравнительных испытаний образцов из жаропрочного сплава на основе ниобия с диффузионными покрытиями (N+Si, Si, C+Si, C+Cr+Si, Cr+Si) и без них на жаростойкость при температуре 1350°С на базе до 15 ч установлено, что покрытия Si и Cr+Si обеспечивают защиту материала основы (Δmсоставляет 21,20 и 22,12 г/м² соответственно) и превосходят по жаростойкости покрытие состава С+Cr+Si.

Металлографические исследования образцов из жаропрочного сплава на основе ниобия с покрытиями Si и Cr+Si после испытаний на жаростойкость при температуре 1350°С в течение 15 ч показали, что покрытия после испытаний имеют равномерную и однородную структуру.

Исследовано влияние структурной неоднородности поверхности образцов из жаропрочного сплава на основе ниобия на защитные свойства жаростойкого покрытия в области температур до 1350°С и определено, что наличие дефектов в поверхностном слое материала основы приводит к катастрофическому снижению жаростойкости покрытия.