Введение

При эксплуатации газотурбинных двигателей (ГТД) защитные покрытия [1–8] на поверхности лопаток подвергаются механическим, температурным и химическим воздействиям. Происходит высокотемпературное окисление покрытий, отложение продуктов горения топлива на их поверхности и механическое повреждение покрытий, выражающееся в образовании сколов, трещин и отслоении покрытий от материала основы лопаток. При ремонте лопаток [9], как правило, продукты нагара и оксидный слой удаляют пескоструйной или гидропескоструйной обработкой, после чего производят удаление отработанных защитных покрытий, используя традиционные методы обработки – механическую, химическую и электрохимическую.

Наибольшее количество разработок в области удаления отработавших ресурс жаростойких покрытий принадлежит американским и европейским компаниям. Компания Huffman Corporation (США) предлагает для удаления жаростойких покрытий использовать механическую обработку струей воды с абразивными частицами под давлением от 34 до 374,3 МПа [10]. Компания Alstom Technology Ltd (Швейцария) предлагает комбинированный способ химико-механического удаления поврежденных слоев жаростойких покрытий состава MеCrAlY. Поврежденный слой покрытия обрабатывают фтористым водородом, фтором, политетрафторэтиленовой смолой или фторидом аммония для разрыхления. После этого проводят гидроабразивную обработку поверхности лопаток с низким содержанием абразива и малым размером частиц от продуктов травления покрытия, чтобы не повредить неповрежденные слои покрытия [11, 12]. Компания Siemens Aktiengesellshft (Германия) предлагает подобный способ удаления жаростойких покрытий состава MеCrAlY: внешнюю часть покрытия (от 70 до 95% от общей толщины покрытия) удаляют гидроабразивной обработкой при давлении струи от 0,98 до 9,8 МПа. Во избежание повреждения геометрической формы основы, внутренний слой покрытия удаляют химически в растворе соляной кислоты [13]. Компания Man Turbo AG (Германия) предлагает перед удалением жаростойких покрытий состава MеCrAlY проводить газовое алитирование покрытия для формирования хрупкого слоя β-NiAl над внутренним диффузионным слоем. После чего наружный хрупкий слой удаляют пескоструйной обработкой до внутреннего диффузионного слоя, а диффузионный слой удаляют, используя шлифовальную и абразивную обработку [14]. Аналогичный способ разработан компаниями General Electric (США) [15] и Sermatech International Inc. (Ирландия) [16].

Несмотря на все разнообразие способов механического удаления защитных покрытий с поверхности лопаток ГТД, механическая обработка имеет ряд существенных недостатков: высокая трудоемкость, большие затраты расходуемых материалов и временные затраты, при механической обработке возможно повреждение геометрической формы обрабатываемого изделия и внедрение частичек абразивного материала в основу, являющихся концентраторами напряжений.

Среди методов химического удаления защитных покрытий с поверхности лопаток ГТД наибольшее распространение получили способы удаления защитных покрытий в растворах неорганических кислот (серной, соляной, фосфорной и азотной). Компания General Electric (США) [17] для селективного удаления жаростойких покрытий предлагает использовать концентрированные растворы на основе минеральных кислот – до 80% (по массе): H_xAF₆ (A – Si, Ge, Ti, Zr, Al, Ga), HNO₃, HCl, H₃PO₄, при пониженных температурах. Компания Dayton Process B.V. (США) [18] предлагает для удаления защитных покрытий использовать фторуглеродную очистку, в основе которой термическое разложение политетрафторэтилена до тетрафторэтилена, и последующее гидрирование последнего с образованием фтористоводородной кислоты и этана. Компанией United Technologies Corporation (США) [19] предложен способ химического удаления жаростойких покрытий состава MеCrAlY в растворах на основе серной, соляной, фосфорной и плавиковой кислот или в их смесях с добавкой соединений трехвалентного железа (Fe³⁺) в количестве 5,5–6,5 г/л.

Что касается российских разработок, то наиболее распространенными методами удаления защитных покрытий с лопаток ГТД являются методы химической и электрохимической обработки.

В Уфимском государственном авиационном техническом университете разработан способ химического удаления жаростойких покрытий в растворах на основе азотной кислоты с добавками соляной кислоты и ингибиторов коррозии при температуре раствора не более 20°С [20]. Акционерное общество «НПЦ газотурбостроения «Салют» (г. Москва) предлагает для удаления жаростойких покрытий с лопаток ГТД использовать растворы, содержащие азотную и фтористоводородную кислоты с добавками порошка железа и оксида хрома [21]. По предложенному способу удаляют внешнее дефектное покрытие до внутреннего диффузионного слоя. Там же предложен способ для удаления продуктов высокотемпературного окисления, сульфидной коррозии и остатков отработанного защитного покрытия в расплаве бифторида калия с последующей щелочной обработкой [22].

Вопреки широкому распространению способов химического и электрохимического удаления защитных покрытий с лопаток ГТД как в России, так и за рубежом, эти методы обладают рядом существенных недостатков: при химическом удалении защитных покрытий происходит быстрая выработка («старение») растворов; компоненты, применяемые для приготовления растворов и электролитов, имеют высокую стоимость, токсичны, пожаро- и взрывоопасны, имеют высокую коррозионную активность по отношению к материалам оборудования, ввиду чего требуются специальные меры защиты персонала, окружающей среды и оборудования; растворы и электролиты, применяемые для химического и электрохимического удаления защитных покрытий, многокомпонентные – существует сложность их корректировки; при химическом удалении покрытия происходит насыщение поверхности выделяющимся водородом, в результате чего возможно водородное охрупчивание – «разрушение» материала основы.

Последние 15 лет в производство активно внедряется разновидность метода электрохимической обработки поверхности – электролитно-плазменная обработка. Отличие от электрохимической обработки заключается в том, что процесс проводят в электролитах на основе неорганических солей с концентрацией по основному веществу до 10% (по массе) и напряжениях обработки от 200 до 400 В в зависимости от состава обрабатываемого материала. При таких напряжениях вокруг обрабатываемого изделия формируется тонкая (от 50 до 100 мкм) парогазовая оболочка, отделяющая электролит от поверхности изделия с напряженностью электрического поля в оболочке от 10⁴ до 10⁶ В/м. Большие значения напряженности электрического поля в парогазовой оболочке являются причиной возникновения импульсных микроразрядов на микровыступах поверхности обрабатываемого изделия, которые оказывают электроэрозионное воздействие на обрабатываемую поверхность, приводящее к удалению отработанного защитного покрытия с поверхности изделия [23, 24].

Уфимским государственным авиационным техническим университетом предложен способ электролитно-плазменного удаления жаростойких и износостойких покрытий (карбидов, нитридов, покрытий системы NiCrAl) в нагретом от 50 до 90°С электролите на основе неорганической соли аммония с добавкой вещества органической природы и (или) неорганической соли при напряжениях обработки от 180 до 340 В [25]. Во ФГУП «ВИАМ» предложены способ электролитно-плазменного удаления жаростойких покрытий состава MеCrAlY в электролитах на основе неорганических кислот (азотной, серной, соляной и фосфорной) при напряжениях 220 и 380 В и переменном электрическом токе с частотой 50 Гц [26] и способ удаления алюминидного покрытия с использованием метода электролитно-плазменной обработки (при плотностях тока от 50 до 100 А/дм²) в электролитах на основе неорганических кислот с концентрацией по основному веществу до 12% (по массе) [27]. В ООО «НПП «Уралспецтехнология» (г. Уфа) предложен способ контроля полноты удаления защитных покрытий с деталей из жаропрочных сплавов с использованием технологии электролитно-плазменной обработки поверхности деталей в нагретых от 75 до 85°С электролитах на основе солей аммония при напряжениях от 280 до 300 В [28].

Неоспоримыми преимуществами электролитно-плазменной обработки по сравнению с методами механической, химической и электрохимической обработки поверхности являются высокая производительность процесса, невысокая стоимость компонентов электролитов, их малый расход и небольшая токсичность, возможность равномерной обработки изделий, имеющих сложную геометрическую форму, при использовании противоэлектродов, имитирующих геометрическую форму обрабатываемого изделия.

К главному недостатку описанных способов электролитно-плазменного удаления защитных покрытий можно отнести многокомпонентность применяемых электролитов, в результате чего возникает сложность в их корректировке. Поэтому во ФГУП «ВИАМ» разработан двухкомпонентный электролит на основе неорганической соли и подобраны режимы для удаления жаростойких покрытий состава MеCrAlY с поверхности лопаток ГТД из жаропрочных сплавов типа ЖС. По разработанным технологиям проведено удаление отработанных жаростойких покрытий состава MеCrAlY с внешней поверхности рабочих лопаток ГТД из сплавов типа ЖС при проведении комплексного ремонта лопаток, включающего: операции очистки внешней поверхности лопаток от нагара, продуктов газовой коррозии и отработанных покрытий; горячее изостатическое прессование (ГИП) и термическую обработку с целью восстановления структуры материала лопаток; дефектоскопический контроль и пайку поврежденных участков поверхности; механическую обработку мест пайки; операцию нанесения покрытий состава MеCrAlY на внешнюю поверхность лопаток.

В работе приведены результаты комплексного ремонта рабочих лопаток ГТД из сплавов типа ЖС и показана возможность использования метода электролитно-плазменной обработки для удаления отработанных жаростойких покрытий состава MеCrAlY.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 17.3. «Многослойные жаростойкие и теплозащитные покрытия, наноструктурные упрочняющие эрозионно- и коррозионностойкие, износостойкие, антифреттинговые покрытия для защиты деталей горячего тракта и компрессора ГТД и ГТУ» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [29].

Материалы и методы

Для работы использовали годные по результатам дефектоскопического контроля (не имеющие сквозных трещин в теле лопатки) рабочие лопатки ГТД из сплавов типа ЖС с отработанными покрытиями состава MеCrAlY.

Очистку лопаток от нагара и продуктов газовой коррозии проводили пескоструйной обработкой электрокорундом фракций 25A, F100 в пескоструйной камере КСО-110-М.

Для удаления отработанных покрытий состава MеCrAlY с внешней поверхности лопаток использовали установку для электролитно-плазменной обработки поверхности, разработанную во ФГУП «ВИАМ».

Для восстановления структуры очищенных от отработанного покрытия лопаток проводили горячее изостатическое прессование (ГИП) и термическую обработку лопаток по режимам, разработанным во ФГУП «ВИАМ».

Дефектоскопический контроль лопаток проводили по ГОСТ 18442–80 с использованием метода капиллярного люминесцентного контроля с III классом чувствительности, обеспечивающим выявление дефектов с минимальной шириной раскрытия 10 мкм.

Для ремонта дефектов лопаток методом пайки использовали пасты композиционных припоев разработки ФГУП «ВИАМ».

Механическую обработку мест пайки лопаток проводили абразивными дисками толщиной 5 мм и шарошками различной формы (сферическими, цилиндрическими, коническими).

Для нанесения покрытий состава MеCrAlY на внешнюю поверхность лопаток использовали установку МАП-3 для ионно-плазменного напыления покрытий.

Металлографические исследования лопаток на полноту удаления отработанных покрытий и для оценки толщины нанесенных покрытий состава MеCrAlY на отремонтированные лопатки проводили на металлографическом микроскопе Olympus GX51 с цифровой системой обработки изображений при увеличениях ×200 и ×500.

Металлофизические исследования структуры восстановленных лопаток проводили на раствором электронном микроскопе JSM 6490LV.

Результаты и обсуждение

На рис. 1 приведен внешний вид рабочих лопаток ГТД из сплава типа ЖС с отработанным покрытием состава MеCrAlY в исходном состоянии. По результатам металлографических исследований толщина отработанных покрытий состава MеCrAlY на рабочих лопатках из сплава типа ЖС составляла от 40 до 50 мкм (рис. 2).

Рис. 1. Внешний вид рабочих лопаток из сплава типа ЖС серий 1 (а, б) и 2 (в, г) с отработанным покрытием состава MеCrAlY со стороны корыта (а, в) и спинки (б, г)

Рис. 2. Микроструктура (×500) рабочей лопатки из сплава типа ЖС с отработанным покрытием состава MеCrAlY, нанесенным на внешнюю поверхность со стороны корыта (а) и спинки (б)

Перед удалением отработанных покрытий состава MеCrAlY с поверхности рабочих лопаток из сплава типа ЖС проведена пескоструйная обработка внешней поверхности лопаток от нагара и продуктов газовой коррозии. Удаление отработанных покрытий состава MеCrAlY с внешней поверхности рабочих лопаток из сплава типа ЖС проведено по разработанной технологии электролитно-плазменной обработки в двухкомпонентном электролите на основе неорганической соли. Полноту удаления покрытия контролировали по проявлению макроструктуры основного материала на внешней поверхности пера лопаток и по результатам металлографических исследований.

На рис. 3 приведен внешний вид рабочих лопаток ГТД из сплава типа ЖС после электролитно-плазменного удаления отработанных покрытий состава MеCrAlY с внешней поверхности лопаток. По результатам металлографических исследований отработанные покрытия состава MеCrAlY удалены с внешней поверхности рабочих лопаток из сплава типа ЖС (рис. 4, а, б).

Рис. 3. Внешний вид рабочих лопаток из сплава типа ЖС с равноосной (а, б) и направленной (в, г) структурой после электролитно-плазменного удаления покрытия состава MеСrAlY, нанесенного со стороны корыта (а, в) и спинки (б, г)

Рис. 4. Микроструктуры (а, б – ×200; в, г – ×10000) рабочих лопаток из сплава типа ЖС
с равноосной (а, в) и направленной (б, г) структурой после удаления отработанных покрытий состава MеCrAlY (а, б) и после восстановления структуры (в, г)

По режимам, разработанным во ФГУП «ВИАМ», проведено горячее изостатическое прессование (ГИП) и термическая обработка рабочих лопаток из сплава типа ЖС, очищенных от отработанных покрытий состава MеCrAlY. На растровом электронном микроскопе JSM 6490LV проведен анализ микроструктуры рабочих лопаток из сплава типа ЖС после ГИП и термической обработки (рис. 4, в, г). По результатам анализа установлено, что кубическая морфология γʹ-фазы восстановлена.

После ГИП и термической обработки рабочих лопаток ГТД из сплава типа ЖС проведен дефектоскопический контроль внешней поверхности лопаток на наличие дефектов с использованием метода капиллярного люминесцентного контроля с III классом чувствительности, обеспечивающим выявление дефектов с минимальной шириной раскрытия 10 мкм.

По результатам люминесцентного контроля установлено, что основные дефекты лопаток из сплава типа ЖС – трещины на торцевой периферической части лопаток протяженностью не более 3 мм. Трещины имели поверхностный характер, без проникновения во внутреннюю полость охлаждающих каналов. Для последующего ремонта проведена механическая обработка трещин абразивными дисковыми инструментами до полного удаления.

Внешний вид дефектов рабочих лопаток из сплава типа ЖС до и после механической зачистки приведен на рис. 5.

Рис. 5. Внешний вид дефектов рабочих лопаток из сплава типа ЖС до (а) и после механической зачистки (б)

После механической зачистки проведена пайка мест разделки трещин композиционными припоями разработки ФГУП «ВИАМ» и механическая обработка мест пайки абразивными дисковыми инструментами и шарошками до выравнивания поверхности.

Для контроля мест пайки на наличие дефектов после механической обработки проведен дефектоскопический контроль лопаток с использованием метода люминесцентного контроля. Результаты люминесцентного контроля показали, что в отремонтированных участках лопаток из сплава типа ЖС отсутствуют дефекты.

Внешний вид рабочих лопаток из сплава типа ЖС двух серий после механической обработки мест пайки поврежденных участков поверхности приведен на рис. 6.

Рис. 6. Внешний вид рабочих лопаток из сплава типа ЖС серий 1 (а, б) и 2 (в, г) после
механической обработки мест пайки со стороны корыта (а, в) и спинки (б, г)

На внешнюю поверхность отремонтированных рабочих лопаток ГТД из сплава типа ЖС по технологии ионно-плазменного напыления на установке МАП-3 нанесены жаростойкие покрытия состава MеCrAlY толщиной от 40 до 50 мкм. Внешний вид лопаток из сплава типа ЖС двух серий, с нанесенными покрытиями состава MеCrAlY, приведен на рис. 7.

Рис. 7. Внешний вид отремонтированной рабочей лопатки из сплава типа ЖС серий 1 (а, б)
и 2 (в, г) с покрытием состава MеCrAlY, нанесенным со стороны корыта (а, в) и спинки (б, г)

Заключения

Метод электролитно-плазменного удаления дефектных и отработанных защитных покрытий с поверхности лопаток ГТД может стать альтернативной заменой традиционным методам (механическому, химическому и электрохимическому) удаления покрытий при ремонте лопаток ГТД. Основными преимуществами данного метода по сравнению с традиционными методами удаления покрытий являются возможность полной автоматизации и высокая производительность процесса, для приготовления электролитов используются малотоксичные вещества с концентрацией основного вещества в электролите не более 10% (по массе).

Показано, что данный способ может быть использован для удаления отработанных жаростойких покрытий состава MеCrAlY с поверхности рабочих лопаток ГТД из сплава типа ЖС, при этом контроль полноты удаления покрытий можно осуществлять по проявлению макроструктуры материала основы, что значительно облегчает идентификацию момента окончания процесса.

Таким образом, метод электролитно-плазменного удаления защитных покрытий может быть рекомендован для промышленного освоения предприятиями, осуществляющими ремонт ГТД.