Введение

В настоящее время продление ресурса рабочих лопаток турбины газотурбинного двигателя, работающих в условиях агрессивного воздействия сульфидно-оксидной и газовой коррозии, является актуальной задачей авиационного материаловедения [1, 2].

Наиболее действенный способ продления ресурса заключается в нанесении на трактовую поверхность лопатки из жаропрочного никелевого сплава защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13, разработанного в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ для защиты от газовой коррозии при температуре до 1050 °С и от сульфидно-оксидной коррозии (СОК) при температуре до 950 °С [3–10].

Данный тип покрытия разработан как альтернатива хорошо зарекомендовавшему себя конденсированному покрытию марки СДП-6 для защиты лопаток газоперекачивающих агрегатов от воздействия СОК [11].

Для повышения защитных свойств покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13 исследованы новые режимы напыления и предложено наносить никелевый подслой на начальной стадии при сниженной величине тока для формирования более мелкой капельной фазы с последующим градиентным ростом энергии распыления для дальнейшего увеличения размера этой фазы и сокращения времени осаждения. Поставлена задача – исследовать влияние постоянного или импульсного режима действия инвертора отрицательного потенциала при градиентном осаждении защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13, а также повышенного напряжения на стойкость к воздействию СОК при температуре 950 °С на базе 30 циклов и окалиностойкость при температуре 1100 °С на базе 200 ч [12, 13].

Осаждение защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13 при заданных условиях эксперимента можно осуществлять на промышленных ионно-плазменных установках (ИПУ) разработки НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. Преимуществом данных установок является качественное нанесение защитных и функциональных покрытий по заданной управляющей программе без участия оператора. Необходимый минимальный контроль за процессом нанесения оператор осуществляет с помощью экрана монитора, наблюдая со стороны за действиями управляющей программы. Уникальность получаемого защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13 заложена в основу легирования катодов для распыления и в технологический прием  при его формировании, такой как варьирование параметрами инвертора отрицательного потенциала для управления концентрацией легирующих элементов в структуре [14, 15].

В представленной работе показано, что с использованием серийных инверторов отрицательного потенциала, а также инверторов с расширенным функционалом  для действия второго электрического контура, можно управлять энергией ионов материала покрытия для повышения защитных свойств к воздействию СОК при температуре 950 °С на базе 30 циклов и окалиностойкости при температуре 1100 °С на базе 200 ч. Установлено, что повышенную стойкость  системы «сплав–покрытие» к воздействию СОК и газовой коррозии имеют покрытия, нанесенные при постоянном режиме действия инвертора отрицательного потенциала относительно импульсного. Возрастание отрицательного потенциала, используемого в постоянном режиме при осаждении защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13, оказывает положительное влияние при сопротивлении воздействию СОК и на окалиностойкость.

Работа проведена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Материалы и методы

Для определения влияния постоянного или импульсного режима действия инвертора отрицательного потенциала при градиентном нанесении защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13 и повышенного напряжения на стойкость к воздействию СОК при температуре 950 °С на базе 30 циклов и окалиностойкость при температуре 1100 °С на базе 200 ч, проведена садка, отличающаяся от серийной технологии осаждения градиентным началом напыления. Это необходимо для получения структурных составляющих малых размеров с последующим ростом тока вакуумной дуги и размеров капельной фазы, а также для использования при осаждении возможности инверторов отрицательного потенциала регулировать напряжение на изделиях до 70 В в постоянном  или импульсном режиме, тем самым управляя концентрацией легирующих элементов в конденсате многокомпонентной плазмы.

В качестве имитации изделия изготовлены образцы-свидетели из жаропрочного никелевого сплава марки ВЖ172 прямоугольной формы с максимальными габаритами 3×20×230 мм для испытания на окалиностойкость при температуре 1100 °С и круглые (Ø25×2 мм) из сплава марки ВЖЛ21-ВИ для испытания на стойкость к воздействию СОК при температуре 950 °С.

Осаждение защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13 проводили на промышленной установке для напыления с ассистированным осаждением МАП-3 (далее – ИПУ МАП-3), внешний вид которой  представлен на рис. 1. Установка оснащена двумя инверторами отрицательного потенциала со встроенными ключами дугогашения – стандартным, работающим при постоянном режиме при напряжении до 450 В, и модернизированным, работающим при постоянном и импульсном режимах при напряжении до 1000 В. Параметры импульсного режима: ширина импульсов 400 мс,  ширина импульсов в серии после поджига 20 мс, количество импульсов поджига 3 мс.

Рис. 1. Внешний вид установки МАП-3 для ионно-плазменного напыления с ассистированным осаждением

Подготовка поверхности образцов перед осаждением защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13 состояла из операций, ничем не отличающихся от серийной операции: обезжиривание, сушка, обдувка электрокорундом, промывка, сушка.

После этапа подготовки поверхности образцы-свидетели размещали в технологической оснастке и устанавливали в рабочей камере ИПУ МАП-3, в которой для
качественного действия инвертора отрицательного потенциала размещали цилиндры для увеличения ионного тока.

Далее проводили нанесение защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13 по серийной технологии: с градиентным началом напыления при действии инверторов отрицательного потенциала со встроенными ключами дугогашения в постоянном и в постоянном и импульсном режимах, а также при повышенном напряжении 70 В для увеличения концентрации хрома в конденсате. Градиентное начало напыления осуществляли при токе вакуумной дуги 500 А и заканчивали при 700 А в течение 10 мин, тем самым управляя размерами структурных составляющих конденсата. Параметры инверторов отрицательного потенциала соответствовали серийным. Особая составляющая – действие  инверторов отрицательного потенциала разных производителей, в одном из которых реализован импульсный режим работы с частотой до 40 кГц. Варианты нанесенных защитных покрытий композиции СДП-1 + ВСДП-13 представлены в табл. 1.

Таблица 1

Варианты нанесенных защитных покрытий композиции СДП-1 + ВСДП-13

Сравнительные испытания образцов из сплава марки ВЖЛ21-ВИ с различными вариантами нанесения защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13 на стойкость к СОК осуществляли в соответствии с ММ 1.2.083–2008 (первый метод) при температуре 950 °С на базе 30 циклов.

Окалиностойкость образцов из никелевого жаропрочного сплава марки ВЖ172 с защитным покрытием композиции СДП-1 + ВСДП-13 при температуре 1100 °С с выдержкой 200 ч  относительно различных вариантов использования инверторов отрицательного потенциала осуществляли согласно ГОСТ 6130–71 в муфельной атмосферной печи. Следует отметить, что для сравнительных испытаний выбрали образцы сплава марки ВЖ172 с защитным покрытием композиции СДП-1 + ВСДП-13, но с незащищенными торцами из-за того, что часть образца использовалась при изготовлении микрошлифов для изучения структуры после нанесения без воздействия агрессивных факторов.

Металлографические исследования образцов-свидетелей из сплавов марок ВЖЛ21-ВИ и  ВЖ171 с защитным покрытием композиции СДП-1 + ВСДП-13, нанесенным по различным режимам, после испытаний на стойкость к воздействию СОК при температуре 950 °С на базе 30 циклов  и на окалиностойкость при температуре 1100 °С с выдержкой 200 ч проводили на инвертируемом оптическом микроскопе с системой анализа изображения при увеличении ×500.

Результаты и обсуждение

Цель данной работы – изучение действия импульсного режима инвертора отрицательного потенциала в отличие от постоянного при осаждении защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13, а также влияния повышенного напряжения – до 70 В.

В данной работе не использовали возможности ассистированного осаждения из-за технологии нанесения защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13  с финишной стадией формирования окончательной структуры – вакуумным отжигом, который нивелирует все первичные изменения структуры при осаждении.

Для исследования влияния технологических особенностей действия источников отрицательного потенциала на стойкость к воздействию СОК при температуре 950 °С применяли достаточно жесткую, но информативную сравнительную методику с использованием печей. В качестве поражающей коррозионной среды в большинстве исследовательских работ при таких условия экспериментов используют смесь солей Na₂SO₄+NaCl. Перед сравнительными испытаниями образцы обезжиривали органическим растворителем (ацетоном) и взвешивали на аналитических весах с точностью ±0,0002 г.

Оценку стойкости образцов с шестью вариантами нанесенного покрытия (табл. 1) к СОК проводили по удельному изменению массы и скорости коррозии. Для определения кинетики процесса СОК через каждые 5 циклов испытаний образцы взвешивали. Перед взвешиванием с целью растворения остатков солей образцы промывали в горячей и холодной воде (с использованием ультразвуковой установки), протирали волосяной щеткой, промывали и сушили.

Внешний вид образцов после сравнительных испытаний на СОК показан на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид образцов 1–6 (табл. 1) до (а) и после 30 циклов (б) сравнительных
 испытаний на стойкость к СОК при температуре 950 °С

Видно, что до начала испытаний на СОК все нанесенные варианты защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13  имеют равномерный темно-серый цвет от шлаков, вышедших на поверхность после диффузионного отжига (рис. 2, а). После 30 циклов испытаний (рис. 2, б) внешний вид образцов с защитным покрытием композиции СДП-1 + ВСДП-13, нанесенным по различным вариантам, достаточно сильно изменился. На поверхности видны следы оксида хрома темно- и светло-зеленого цвета. Наименьшее количество повреждений на поверхности  наблюдается на варианте (образец 3) защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13, нанесенного при градиентном осаждении при постоянном режиме работы модернизированного инвертора отрицательного потенциала.

Для подтверждения визуального анализа результатов сравнительных испытаний на СОК проведены измерения удельного изменения массы и скорости коррозии (табл. 2).

Таблица 2

Результаты сравнительных испытаний образцов на стойкость к СОК

при температуре 950 °С на базе 30 циклов

Из данных табл. 2 следует, что минимальное удельное изменение массы показал образец 3 из сплава ВЖЛ21-ВИ с нанесенным градиентным защитным покрытием композиции СДП-1 + ВСДП-13  при действии модернизированного источника отрицательного потенциала в постоянном режиме (–236,96 г/м²), соответственно, минимальна и скорость коррозии 7,9 г/(м²·ч). Далее по величине снижения степени защиты от СОК следует градиентное нанесение (образец 2) при помощи стандартного инвертора отрицательного потенциала с повышенным напряжением 70 В при постоянном режиме:
–321,82 г/м² и 10,7 г/(м²·ч) соответственно. Затем можно отметить вариант (образец 6), полученный при градиентном нанесении с повышенным напряжением при работе модернизированного инвертора отрицательного потенциала в импульсном режиме: соответственно –530,65 г/м² и 17,7 г/(м²·ч).

Характер повреждения структуры покрытий после проведения сравнительных испытаний на СОК при температуре 950 °С на базе 30 циклов оценивали по микрошлифам, изготовленным из образцов. Микроструктура образца из сплава ВЖЛ21-ВИ с нанесенным градиентным защитным покрытием композиции СДП-1 + ВСДП-13  при действии модернизированного инвертора отрицательного потенциала в постоянном режиме после проведения испытаний на СОК при температуре 950 °С на базе 30 циклов представлена на рис. 3.

Рис. 3. Микроструктура образца из сплава ВЖЛ21-ВИ с нанесенным градиентным защитным покрытием композиции СДП-1 + ВСДП-13 при действии модернизированного инвертора отрицательного потенциала в постоянном режиме после проведения испытаний на СОК при температуре 950 °С на базе 30 циклов

На микроструктуре хорошо видна равномерная коррозия нанесенного градиентного защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13  при действии модернизированного инвертора отрицательного потенциала в постоянном режиме после проведения испытаний на СОК при температуре 950 °С на базе 30 циклов, проникнувшая приблизительно на 2/3 толщины покрытия. Дальнейшего проникновения коррозии не обнаружено.

Композиционное покрытие СДП-1 + ВСДП-13, нанесенное на жаропрочные никелевые сплавы, помимо защиты от СОК при температуре 950 °С способно обеспечить окалиностойкость сплавов. Для исследования данных свойств проведены сравнительные испытания на жаростойкость при температуре 1100 °С с забросом температуры до 1150 °С для выявления наиболее эффективного варианта покрытия. Продолжительность экспозиции составила 200 ч, далее построены временные зависимости удельного изменения массы образцов из сплава марки ВЖ172 с защитными покрытиями композиции СДП-1 + ВСДП-13, нанесенными по различным вариантам, которые представлены на рис. 4.

Рис. 4. Временные зависимости удельного изменения массы образцов из сплава марки ВЖ172 с защитными покрытиями композиции СДП-1 + ВСДП-13, нанесенными по различным вариантам

Таким образом, все варианты с технологическими приемами при осаждении (градиентное нанесение, постоянный или импульсный режим действия инвертора отрицательного потенциала, повышенное напряжение для увеличения содержания хрома в конденсате покрытия) показали очень близкие результаты по окалиностойкости. Однако можно выделить самый лучший вариант градиентного нанесения защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13 – это действие стандартного инвертора отрицательного потенциала без повышенного напряжения. Далее следует вариант градиентного нанесения при действии модернизированного инвертора отрицательного потенциала в импульсном режиме с повышенным напряжением 70 В. Такие результаты получены с учетом незащищенных торцов образцов.

Для понимания картины происходящих процессов в структуре защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13 после проведения сравнительных испытаний на жаростойкость при температуре 1100 °С на базе 200 ч изготовлены микрошлифы. На рис. 5 представлена микроструктура образца сплава марки  ВЖ172 с защитным покрытием композиции СДП-1 + ВСДП-13, нанесенным при градиентном осаждении с действием стандартного инвертора отрицательного потенциала без повышенного напряжения.

Рис. 5. Микроструктура образца сплава марки ВЖ172 с защитным покрытием композиции СДП-1 + ВСДП-13, нанесенным при градиентном осаждении с действием стандартного инвертора отрицательного потенциала без повышенного напряжения

На микроструктуре четко видна граница соприкосновения сплава с покрытием с темными точками – это, по-видимому, пористость Киркиндалла, полученная в результате значительного превышения концентрации алюминия. Данная картина свидетельствует о том, что не следует слишком сильно легировать нижний никелевый подслой алюминием. При напылении верхнего слоя на основе алюминия необходимо учитывать соотношение толщин никелевого и алюминиевого слоев. В верхней части защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13 хорошо виден слой с темными зонами – это фаза NiAl, а в средней части наблюдается небольшое скопление нитридов.

Заключения

Показано, что с использованием серийных инверторов отрицательного потенциала, а также инверторов с расширенным функционалом для действия второго электрического контура возможно управлять энергией ионов многокомпонентной плазмы для  повышения сопротивления воздействию СОК при температуре 950 °С на базе 30 циклов и окалиностойкости при температуре 1100 °С на базе 200 ч. Установлено, что повышенную стойкость образования «сплав–покрытие» к воздействию СОК и окалиностойкость показывают покрытия, нанесенные при постоянном режиме действия инвертора отрицательного потенциала по сравнению с импульсным. Повышение напряжения смещения, работающего в постоянном режиме при осаждении защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13, оказывает положительное влияние на сопротивление воздействию СОК и окалиностойкость.

Основой эксперимента, отличающегося от серийной технологии осаждения, являлось градиентное начало нанесения покрытия для получения малой капельной фазы с последующим ростом тока вакуумной дуги и, как следствие, ростом размеров капельной фазы, а также использование при осаждении возможности инвертора отрицательного потенциала регулировать напряжение на изделиях до 70 В в постоянном или импульсном режимах, тем самым управляя концентрацией легирующих элементов в конденсате многокомпонентной плазмы.

По результатам сравнительных испытаний на СОК при температуре 950 °С на базе 30 циклов установлено, что минимальное удельное изменение массы показал образец из сплава ВЖЛ21-ВИ с нанесенным градиентным защитным покрытием композиции СДП-1 + ВСДП-13 при действии модернизированного источника отрицательного потенциала в постоянном режиме (–236,96 г/м²), минимальна также и скорость коррозии 7,9 г/(м²·ч).

После проведения испытаний на СОК при температуре 950° С на базе 30 циклов коррозионные повреждения нанесенного градиентного защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13  при действии модернизированного инвертора отрицательного потенциала в постоянном режиме проникли до середины толщины покрытия без дальнейшего развития до материала подложки.

Данные сравнительных испытаний на окалиностойкость при температуре 1100 °С на базе 200 ч показывают, что все варианты с технологическими приемами при осаждении (градиентное нанесение, постоянный или импульсный режим действия инвертора отрицательного потенциала, повышенное напряжение для увеличения содержания хрома в конденсате покрытия) показали очень близкие результаты по окалиностойкости. Самый лучший вариант градиентного нанесения защитного покрытия композиции СДП-1 + ВСДП-13 получен при действии стандартного инвертора отрицательного потенциала без повышенного напряжения.