Литейные жаропрочные никелевые сплавы (ЖНС), легированные рением либо рением и рутением, являются наиболее перспективным конструкционным материалом для рабочих лопаток газотурбинных двигателей [1–3]. В ВИАМ разработана серия рений- и рений-рутенийсодержащих ЖНС, обладающих высокой конкурентоспособностью с зарубежными сплавами-аналогами фирм «General Electric», «Onera», «Cannon-Muskegon» и др. [4–6].

Данная работа посвящена выбору жаростойкого покрытия для жаропрочного никелевого рений-рутенийсодержащего сплава ВЖМ4, обладающего высокими прочностными характеристиками при рабочих температурах до 1150°С. Для обеспечения длительного ресурса изделий из сплава ВЖМ4 в условиях высоких температур и интенсивных теплосмен необходима их защита жаростойкими покрытиями, предотвращающими при высоких эксплуатационных температурах разрушение металла вследствие окисления на границе с агрессивной средой [7–9]. Однако известно, что при нанесении покрытия на подложку из ЖНС, содержащего рений, в поверхностном слое такого сплава в условиях высоких температур формируется вторичная реакционная зона (ВРЗ). Данное структурное образование, возникающее вследствие высокотемпературной диффузии элементов через поверхность раздела «сплав–покрытие», состоит из пластинчатых топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз и ведет к деградации структуры ЖНС и его разупрочнению [10, 11]. Поэтому жаростойкое покрытие, предназначенное для защиты рений- либо рений-рутенийсодержащих ЖНС, должно содержать композиционный барьерный слой, замедляющий процессы высокотемпературной диффузии через поверхность раздела «сплав–покрытие» [12–15]

Материал и методы исследования

Исследования проведены на образцах с монокристаллической структурой из жаропрочного никелевого сплава ВЖМ4. Для нанесения покрытий использовались жаростойкие сплавы для ионно-плазменных покрытий СДП-41 (Ni–Cr–Al–Ta–Hf–Re–Y), ВСДП-9 (Ni–Al–Cr–Ta–Y) и ВСДП-18 (Al–Ni–Cr–Y). Предполагалось, что содержание в сплавах СДП-41 и ВСДП-9 тантала в количестве 2–3% обеспечит формирование термостабильного барьерного слоя с частицами карбида тантала.

В работе исследовались покрытия систем СДП-41+ВСДП-18, [СДП-41+С₂Н₂]+СДП‑41+ВСДП-18, ВСДП-9+ВСДП-18, [ВСДП-9+С₂Н₂]+ВСДП-9+ВСДП-18. Все покрытия получены на промышленной ионно-плазменной установке с автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУ ТП) типа МАП-2 [16].

Композиционные барьерные слои [СДП-41+C₂H₂] и [ВСДП-9+C₂H₂] формировали при испарении в вакуумном дуговом разряде материала катодов из сплавов СДП-41 и ВСДП-9 соответственно. Процесс проводился при токе вакуумного дугового разряда, равном 700 А, потенциале смещения на изделиях: 50 В, и подаче в рабочую камеру установки ацетилена при давлении: 0,03–0,1 Па [14, 15]. Толщина барьерных слоев составляла 10 либо 20 мкм. После формирования барьерного слоя заданной толщины подачу ацетилена прекращали, и процесс нанесения покрытия продолжался в вакууме. После процесса напыления ионно-плазменных покрытий проводился высокотемпературный вакуумный отжиг (1050°С, 3 ч), необходимый для окончательного формирования фазового состава покрытия и релаксации напряжений. По окончании вакуумного отжига образцов с покрытиями произошел скол покрытия на базе сплава СДП-41 с барьерным слоем [СДП-41+C₂H₂] толщиной 20 мкм, вследствие чего данное покрытие снято с испытаний и в дальнейшем не исследовалось.

Испытания на изотермическую жаростойкость проводились в соответствии с ГОСТ6130 на дисковых образцах (Ø25 мм, h=3 мм) без покрытия и с покрытиями, в атмосферной печи в керамических тиглях с крышками при температуре испытаний 1150°С. Измерение массы образцов проводилось после 25, 50, 100, 200 и 500 ч испытаний.

Испытания на циклическую жаростойкость проводились в интервале температур от 200 до 1150°С. Цикл длительностью 1 ч включает: выдержку образцов в течение 50 мин при 1150°С и последующее охлаждение в течение 10 мин до температуры 200°С. Измерение массы образцов проводилось после 25, 50, 100, 200 и 500 циклов испытаний.

Удельное изменение массы образцов Δm_τ (г/м²) после τ часов испытаний рассчитывалось по формуле:

                                                                  Δm_τ=(m_τ-m₀)/S,                                                       (1)

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

Глубина проникновения коррозии в сплав/покрытие h_τ (мкм) после τ часов испытаний рассчитывалась по формуле:

                                                  h_τ=|Δm_τ|/ρ (если Δm_τ>0, h_τ=0),                                              (2)

где ρ – плотность сплава/покрытия, г/см³.

Микроструктура композиции «сплав–покрытие» после испытаний на изотермическую и циклическую жаростойкость исследовалась на растровом электронном микроскопе JSM-840 при увеличении ×200. Фазовый состав композиционных барьерных слоев в исходном состоянии исследовался методом рентгеноструктурного фазового анализа на дифрактометре ДРОН-3 с монохроматическим Cu K_α-излучением, диапазон сканирования в интервале углов 2θ составил 15–100 град.

Результаты исследования и их обсуждение

Исследование фазового состава композиционных барьерных слоев в исходном состоянии показало наличие в слое [СДП-41+С₂Н₂] карбида тантала (TaC), а в слое [ВСДП-9+С₂Н₂] – карбида хрома (Cr₃C₂). Основной фазой в этих барьерных слоях является γ′-фаза (Ni₃Al).

Рисунок 1. Зависимости удельного изменения массы образцов из сплава ВЖМ4 с покрытиями СДП-41+ВСДП-18 (○), ВСДП-9+ВСДП-18 (●), [СДП-41+С₂Н₂] (10 мкм)+СДП-41+ВСДП18 (▲), [ВСДП-9+С₂Н₂] (10 мкм)+ВСДП-9+ВСДП-18 (□), [ВСДП-9+С₂Н₂] (20 мкм)+ВСДП-9+ВСДП-18 (∆) и без покрытия (■) от продолжительности испытания на изотермическую жаростойкость при 1150°С

Рисунок 2. Зависимости удельного изменения массы образцов из сплава ВЖМ4 с покрытиями [СДП-41+С₂Н₂] (10 мкм)+СДП-41+ВСДП18 (▲), [ВСДП-9+С₂Н₂] (10 мкм)+ВСДП-9+ВСДП-18 (□), [ВСДП-9+С₂Н₂] (20 мкм)+ВСДП-9+ВСДП-18 (∆) и без покрытия от количества циклов испытания на циклическую жаростойкость в интервале температур 1150D200°С

Графики удельного изменения массы образцов из сплава ВЖМ4 с покрытиями и без покрытия в зависимости от продолжительности испытаний на изотермическую и циклическую жаростойкость приведены на рис. 1 и 2. Испытания на изотермическую жаростойкость проводились для всех вариантов покрытий, представленных в таблице, а также для сплава ВЖМ4 без покрытия. При испытаниях на циклическую жаростойкость рассматривались только покрытия с композиционными барьерными слоями, поскольку предполагалось, что в условиях частых теплосмен наличие металлокерамического барьерного слоя повышает величину остаточных термических напряжений в покрытии. Однако из графиков видно, что для образцов с покрытиями, содержащими барьерные слои толщиной 10 мкм, кривые удельного изменения массы в результате испытаний на изотермическую и циклическую жаростойкость отличаются незначительно. При этом для образцов с покрытием, содержащим барьерный слой толщиной 20 мкм, испытания в условиях многократного повторения часового цикла «нагрев–охлаждение» оказались заметно более «мягкими» в сравнении с испытаниями на изотермическую жаростойкость – удельные потери массы образцов с данным вариантом покрытия после 500 циклов испытаний составляют 117 г/м², а после 500 ч испытаний на изотермическую жаростойкость: 332 г/м². Последнее значение соответствует значительным удельным потерям массы покрытия (около 60%). Таким образом, оба варианта жаростойкого покрытия с барьерным слоем толщиной 20 мкм (см. таблицу) непригодны для защиты изделий из сплава ВЖМ4 от высокотемпературной газовой коррозии, в то время как остальные варианты покрытия в композиции со сплавом ВЖМ4 характеризуются высокой жаростойкостью. Глубина проникновения коррозии в покрытие после 500 ч испытаний на изотермическую жаростойкость представлена в таблице. Для покрытий без барьерного слоя и с барьерным слоем толщиной 10 мкм данная величина составляет ˂12 мкм (для покрытия СДП-41+ВСДП-18: 0 мкм), а для сплава ВЖМ4 без покрытия: 334 мкм, т. е. 0,33 мм или 10% толщины всего образца.

Глубина проникновения коррозии в сплав (покрытие) h₅₀₀ после испытаний на изотермическую жаростойкость при 1150°С в течение 500 ч

Результаты металлографических исследований образцов из сплава ВЖМ4 с покрытиями после испытаний на изотермическую жаростойкость при 1150°С в течение 500 ч приведены на рис. 3. Под покрытием ВСДП-9+ВСДП-18 обнаружена вторичная реакционная зона, включающая в себя частицы ТПУ фаз выраженной пластинчатой морфологии (см. рис. 3, в). Композиционный барьерный слой [ВСДП-9+C₂H₂] толщиной 10 мкм способствует сокращению глубины ВРЗ (см. рис. 3, г). Под покрытием СДП-41+ВСДП-18 обнаружены отдельные выделения пластинчатых ТПУ фаз (см.
рис. 3, а), барьерный слой [СДП-41+C₂H₂] позволяет значительно уменьшить глубину залегания пластинчатых ТПУ фаз и практически полностью предотвратить их формирование в поверхностном слое сплава.

Таким образом, нанесение покрытия СДП-41+ВСДП-18 с барьерным слоем [СДП-41+С₂Н₂] толщиной 10 мкм позволяет полностью избежать формирования ВРЗ в поверхностном слое сплава ВЖМ4 при испытаниях на изотермическую жаростойкость. Аналогичные результаты получены при металлографических исследованиях образцов с покрытиями после испытаний на циклическую жаростойкость.

Рис. 3. Микроструктура (×200) образцов из сплава ВЖМ4 с покрытиями СДП-41+ВСДП-18 (а); [СДП-41+C₂H₂](10 мкм)+СДП-41+ВСДП-18 (б); ВСДП-9+ВСДП-18 (в); [ВСДП-9+C₂H₂](10 мкм)+ СДП-41+ВСДП-18 (г) после испытаний на изотермическую жаростойкость в течение 500 ч

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:

– нанесение ионно-плазменных жаростойких покрытий на подложку из жаропрочного никелевого сплава ВЖМ4 обеспечивает снижение глубины высокотемпературной газовой коррозии в десятки раз;

– наименьшая глубина проникновения коррозии характерна для покрытий без композиционного барьерного слоя, однако в композициях с такими покрытиями активно протекают процессы формирования пластинчатых ТПУ фаз и вторичной реакционной зоны;

– наиболее эффективно подавляет процессы образования ВРЗ – барьерный слой [СДП-41 (Ni–Cr–Al–Ta–Hf–Re–Y)+C₂H₂] толщиной 10 мкм, содержащий частицы карбида тантала и формируемый на поверхности раздела покрытия СДП-41+ВСДП-18 с подложкой из сплава ВЖМ4.