Введение

Одним из направлений совершенствования рабочих характеристик турбин современных вертолетных двигателей является применение в их конструкции более жаростойких и легких конструкционных материалов, по сравнению с используемыми в настоящее время жаропрочными сплавами.

Разработка сложнопрофильных изделий на основе керамических композиционных материалов (ККМ) является сложной и нетривиальной задачей. В связи с этим актуальным представляется развитие новых технологических подходов к созданию элементов конструкции газотурбинного двигателя из ККМ, таких как неохлаждаемые сопловые лопатки. Разработкой технологий создания элементов конструкции турбин низкого и высокого давления из ККМ (роторных, статорных и сопловых лопаток, надроторных вставок, сектора турбины высокого давления) на протяжении многих лет занимаются ведущие фирмы – производители материалов (Allied Signal, Kyocera, АО «ОНПП «Технология им. А.Г. Ромашина») и двигателестроительные организации (General Electric, Pratt & Whitney, Rolls-Royce, Solar Turbines, Honeywell, Snecma, MTU, Kawasaki, ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова» – ЦИАМ).

Разработка способов крепления элементов конструкций из керамических и металлических материалов является актуальной задачей в связи с тем, что в последнее время повышаются требования к теплонагруженным узлам двигательных установок и все больше работ проводится по получению деталей из керамических композиционных материалов. Одним из способов крепления является высокотемпературная пайка. Для пайки никелевых жаропрочных сплавов широкое распространение в авиационной промышленности получили сложнолегированные никелевые жаропрочные и никель-медь-марганцевые припои серии ВПр [1–4]. Наиболее массовое применение в промышленности получили припои, представленные в табл. 1.

Таблица 1

Припои серии ВПр разработки ФГУП «ВИАМ»

Высокотемпературную пайку сопровождает и ряд трудностей. Это связано как с необходимой хорошей смачиваемостью материалом припоя поверхностей соединяемых элементов конструкции, так и с ограничением зоны диффузионного взаимодействия, которая должна быть достаточной для обеспечения требуемого уровня прочностных характеристик паяного соединения. Аморфные металлические ленточные припои на основе никеля обладают уникальными физико-химическими свойствами: хорошей структурной и химической однородностью, равнотолщинностью, пластичностью. Состав припоя должен обеспечивать необходимый уровень смачиваемости и растекаемости, а также низкую эрозионную активность по отношению к основному материалу.

Керамические материалы и композиты на их основе в свою очередь не имеют альтернативы в условиях длительного воздействия температуры в окислительной среде (>1200 °С), обладают высокой эрозионной стойкостью, что делает их перспективными для применения при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей [5–18].

Целями данной работы являются исследование взаимодействия ККМ системы SiC–SiC_w–B₄C–AlN со сплавом ЭП648 в процессе высокотемпературной пайки, изготовление экспериментального конструктивно-подобного образца сектора соплового аппарата из прототипов неохлаждаемой сопловой лопатки из ККМ и проведение его испытаний при температуре 1500 °С.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 14.1. «Конструкционные керамические композиционные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [19].

Материалы и методы

Прототипы неохлаждаемой сопловой лопатки турбины изготавливали из ККМ системы SiC–SiC_w–B₄C–AlN методом искрового плазменного спекания [20].

В качестве исходных компонентов для создания прототипов неохлаждаемой сопловой лопатки из ККМ использовали карбид кремния марки F1200, в качестве армирующих наполнителей – вискеры карбида кремния SiC_w (ООО НПП «Викинг»), нитрид алюминия AlN с размером частиц 150–200 нм (фирма «Плазмотерм») и карбид бора B₄C. Фракционный состав порошков оценивали с помощью лазерного анализатора размера частиц Analysette 22 (фирма Fritsch, Германия).

Подготовку шихты ККМ для прототипов проводили путем перемешивания компонентов в стеклянных стаканах в среде изопропилового спирта с использованием магнитной мешалки и ультразвукового диспергирования. Полученную суспензию сушили в сушильном шкафу при температуре 100 °С.

Подготовленную шихту помещали в графитовую пресс-форму и проводили спекание экспериментальных образцов ККМ на установке гибридного искрового плазменного спекания в токе аргона с заданной скоростью нагрева. Температура спекания прототипа составляла 1800–1900 °С. Изменение температуры графитовой пресс-формы и прессуемого образца фиксировали с помощью двух пирометров марки IGA6.

Метод искрового плазменного спекания (ИПС, SPS) – это технология, использующая одноосное прессование и импульс постоянного тока под низким давлением для обеспечения высокой скорости консолидации порошка. Данная технология служит для консолидации широкого спектра материалов – от полимерных материалов до тугоплавких соединений с температурой плавления >3000 °С. В основе метода лежит процесс, при котором импульсный электрический ток пропускается непосредственно через заготовку, благодаря чему достигаются высокие скорости нагрева/охлаждения (до 600 °С/мин) и малая продолжительность рабочего цикла. Прямое пропускание электрического тока позволяет уменьшить рост зерна, активируя диффузные механизмы спекания и позволяя сохранять в полученных изделиях первоначальные свойства порошков, а также предотвратить фазовые превращения [21–32].

Исследование паяных соединений проводили с помощью оптического микроскопа типа МБС-10.

Установка для проведения испытаний экспериментального конструктивно-подобного образца сектора соплового аппарата на стенде Ц-16ВК Научно-испытательного центра ЦИАМ представлена на рис. 1. Основным элементом установки является многокомпонентное фронтовое устройство, которое позволяет создавать достаточно равномерный высокотемпературный газовый поток в области испытываемых образцов. Диаметр факела на выходе из фронтового устройства составляет 155 мм, расстояние до экспериментального конструктивно-подобного образца 150–200 мм.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для испытаний прототипа неохлаждаемой сопловой лопатки турбины из ККМ

В процессе испытаний во фронтовое устройство осуществляется подача метана, воздуха и кислорода. Продукты сгорания метана и кислорода обеспечивают нагрев воздуха до температуры 1500 °С.

Проведение измерений и регистрация параметров стенда и экспериментального объекта осуществляются автоматизированной информационно-измерительной системой (АИИС) стенда, а воспроизведение заданных режимов испытаний – автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУТП). Подготовка АИИС и АСУТП стенда включает: подбор датчиков по диапазону и точности, их установку в стендовую систему измерения на соответствующие места, подготовку информационного фонда согласно карте препарировки, градуировку измерительных каналов в составе с датчиками давлений, подготовку программы управления для АСУТП, реализующей необходимую циклограмму работы стенда и экспериментальной установки.

Подготовка запорно-регулирующей арматуры включает: подачу питания на пульт управления и системы регулирования, проверку срабатывания ЗРА и систем регулирования, прогон тестовой циклограммы с пульта управления.

Перед испытаниями проведены технологические пуски для отработки циклограммы запуска генератора газового потока, в качестве технологического образца использовали керамическую пластину. Зарегистрированный нагрев пластины в области воздействия высокотемпературного газового потока показал, что поток на выходе из фронтового устройства достаточно равномерный. Распределение температуры на поверхности образца регистрировали тепловизором.

Результаты и обсуждение

Для крепления прототипов неохлаждаемой сопловой лопатки из ККМ в полках из сплава ЭП648 опробована технология высокотемпературной пайки. Максимальная температура технологических нагревов для данного сплава составляет 1200 °С. Рабочая температура паяных соединений с учетом охлаждения полок блока сопловых лопаток должна быть не менее 800 °С.

Для проведения исследований выбраны припои ВПр4, ВПр11-40Н, ВПр50, ВПр27. Композиционный керамический материал для прототипа неохлаждаемой сопловой лопатки турбины на основе системы SiC–SiC_w–B₄C–AlN содержит в своем составе значительное количество карбида кремния SiC. При взаимодействии расплава никелевого припоя с ККМ карбид кремния может разлагаться на Si и C, которые растворяются в расплаве припоя. В результате такого взаимодействия температура плавления (а соответственно, жидкотекучесть и эрозионная активность припоев) может значительно возрастать. Поэтому с целью выбора наиболее оптимального припоя провели серию экспериментов по оценке взаимодействия серийных припоев с ККМ. Для этого на подложку из сплава ЭП648 устанавливали образец ККМ, вблизи паяемого зазора укладывали навеску исследуемого припоя и производили пайку по рекомендованным режимам. Внешний вид образцов после пайки представлен на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид образцов из сплава ЭП648 с ККМ системы SiC–SiC_w–B₄C–AlN после пайки различными припоями со стороны входной галтели:

а – ВПр4; б – ВПр11-40Н; в – ВПр50; г – ВПр27

Описание внешнего вида припоев после пайки ККМ системы SiC–SiC_w–B₄C–AlN со сплавом марки ЭП648:

По результатам визуального осмотра все образцы после пайки имеют трещину на ККМ, расположенную по границе с зоной облуживания или отступающую от нее на небольшое расстояние (˂1 мм). Подложка из сплава ЭП648 выгнута в сторону образца ККМ. По-видимому, это связано со значительной разницей температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) ККМ системы SiC–SiC_w–B₄C–AlN и сплава ЭП648. Температурный коэффициент линейного расширения сплава ЭП648 составляет (10,1–17,1)∙10^-6 К^-1, а ТКЛР для ККМ системы SiC–SiC_w–B₄C–AlN равен (5,3–5,4)∙10^-6 К^-1 – соответственно, ТКЛР сплава ЭП648 отличается от ТКЛР рассматриваемой системы в 2–3 раза.

Кроме того, видно, что припои ВПр4 и ВПр27 показывают очень сильную нехарактерную для них эрозионную активность по отношению к сплаву ЭП648 (достигающую 500 мкм). Скорее всего, это вызвано взаимодействием припоев с карбидом кремния SiC, содержащимся в ККМ. Величина эрозионной активности припоя определялась по величине слоя основного материала, растворенного припоем в процессе пайки. Опробованные в работе припои обычно показывают невысокую эрозионную активность по отношению к сплаву ЭП648 – на уровне 30–80 мкм.

Проведено исследование микроструктуры паяных соединений, выполненных различными припоями. Для этого паяные образцы ККМ разрезали по плоскости, проходящей от центра входной галтели до центра выходной. Микроструктуры паяных соединений приведены на рис. 3–6, а характеристики взаимодействия припоев с ККМ системы SiC–SiC_w–B₄C–AlN и сплавом ЭП648 – в табл. 2.

Рис. 3. Микроструктура паяного соединения сплава ЭП648 с ККМ системы SiC–SiC_w–B₄C–AlN, выполненная припоем ВПр4:

а – входная галтель (×100); б – середина паяного шва (×200); в – выходная галтель (×50)

Рис. 4. Микроструктура (×200) паяного соединения сплава ЭП648 с ККМ системы
SiC–SiC_w–B₄C–AlN, выполненная припоем ВПр11-40Н:

а – входная галтель; б – середина паяного шва; в – выходная галтель

Рис. 5. Микроструктура (×200) паяного соединения сплава ЭП648 с ККМ системы
SiC–SiC_w–B₄C–AlN, выполненная припоем ВПр50:

а – входная галтель; б – середина паяного шва; в – выходная галтель

Рис. 6. Микроструктура (×100) паяного соединения сплава ЭП648 с ККМ системы
SiC–SiC_w–B₄C–AlN, выполненная припоем ВПр27:

а – входная галтель; б – выходная галтель

Таблица 2

Характеристики взаимодействия припоев с ККМ

системы SiC–SiC_w–B₄C–AlN и сплавом ЭП648

Как видно из приведенных данных, припой марки ВПр50 обладает наиболее низкой эрозионной активностью как по отношению к сплаву ЭП648, так и по отношению к ККМ системы SiC–SiC_w–B₄C–AlN. Это свидетельствует о минимальном взаимодействии припоя с ККМ.

Немаловажными факторами, влияющими на качество паяного соединения, особенно при пайке разнородных материалов с разными ТКЛР, являются конструкция паяного соединения и способ питания припоем. Как известно, керамические материалы обладают прочностью при сжатии, значительно превосходящей прочность при растяжении и изгибе. Поэтому для снижения вероятности образования трещин деталь из ККМ в зоне паяного соединения должна испытывать преимущественно сжимающие напряжения. Применительно к блоку сопловых лопаток выбрана конструкция паяного соединения, при которой перо лопатки фиксируется в глухой полости полки из сплава ЭП648. Так как ТКЛР сплава ЭП648 больше, чем у ККМ системы SiC–SiC_w–B₄C–AlN, то после охлаждения паяного соединения перо лопатки из ККМ будет испытывать сжимающие напряжения со стороны полки из сплава ЭП648 в месте заделки.

Для выбора исследования влияния способа питания припоем изготовлены образцы, имитирующие вышеописанную конструкцию, на которых опробованы три способа питания припоем:

– односторонняя укладка припоя на поверхность сплава ЭП648 в непосредственной близости от ККМ;

– укладка припоя на поверхность сплава ЭП648 в непосредственной близости от ККМ с обеих сторон;

– укладка припоя в сквозное отверстие в детали из ЭП648, заканчивающееся на торцевой поверхности детали из ККМ.

Внешний вид образцов после пайки представлен на рис. 7.

Рис. 7. Внешний вид образцов из сплава ЭП648 с ККМ после пайки с различными способами питания припоем:

а – одностороннее питание; б – двухстороннее питание; в – питание через отверстие

Как видно из приведенных фотографий, только один способ питания (через отверстие) обеспечивает формирование паяного соединения без разрушения целостности ККМ. По-видимому, это связано с более равномерным распределением напряжений в паяном соединении и исключением «подреза» из-за эрозии ККМ, наиболее сильно проявляющейся со стороны входной галтели.

Совместно с АО «ОДК-Климов» разработана конструкция и изготовлен экспериментальный конструктивно-подобный образец сектора соплового аппарата из прототипов неохлаждаемой сопловой лопатки турбины из ККМ системы SiC–SiC_w–B₄C–AlN и полок из сплава ЭП648 (рис. 8).

Рис. 8. Прототип неохлаждаемой сопловой лопатки турбины из ККМ (а)
и экспериментальный конструктивно-подобный образец сектора соплового аппарата (б)

Во ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» проведены испытания прототипа неохлаждаемой сопловой лопатки турбины из керамического композиционного материала в составе экспериментального конструктивно-подобного образца сектора соплового аппарата при температуре 1500 °С.

Для установки экспериментального конструктивно-подобного образца сектора соплового аппарата на стенде изготовлена водоохлаждаемая оснастка, представляющая собой два канала в виде трубок, через которые протекает вода. Схема установки данного образца показана на рис. 9. В результате контакта экспериментального конструктивно-подобного образца сектора соплового аппарата с водоохлаждаемыми трубками оснастки происходит его охлаждение до допустимого уровня температур (<800 °С).

Рис. 9. Оснастка для установки экспериментального конструктивно-подобного образца сектора соплового аппарата на стенде

Высокотемпературные испытания проводили в два этапа:

– термоциклические испытания (30 циклов) по режиму: нагрев до температуры 1500 °С (погрешность измерения температуры +1%), выдержка при данной температуре 3 мин, охлаждение на воздухе не менее 15 мин, длительность одного цикла ~20 мин;

– ресурсные испытания (оценка жаростойкости) по режиму: нагрев до температуры 1500 °С, выдержка при данной температуре 180 мин, охлаждение на воздухе.

В процессе испытаний осуществлялся плавный нагрев прототипов сопловой лопатки турбины из ККМ, температура на поверхности которых составила 1500 °С, а максимальная зарегистрированная температура 1560 °С. При этом зарегистрирован следующий расход газов: 1,9–2,02 г/с – метана; 9,6–9,8 г/с – воздуха; 10,1–10,5 г/с – кислорода. На рис. 10 представлен экспериментальный конструктивно-подобный образец во время и после испытаний.

Рис. 10. Экспериментальный конструктивно-подобный образец соплового аппарата
на стенде: а – во время испытаний; б – после испытаний

По результатам исследований установлено, что прототипы сопловой лопатки турбины из ККМ характеризуются высокими термостойкостью и жаростойкостью. Прототипы сопловой лопатки турбины выдержали без разрушения, растрескивания и изменения геометрических размеров 30 циклов по описанному режиму термоциклирования и 180 мин при температуре 1500 °С в продуктах сгорания топлива. Следов уноса материала с поверхности не обнаружено.

Проведена оценка эффективности применения керамического композиционного материала в конструкции соплового аппарата турбины перспективного вертолетного двигателя. Результаты проведенных экспериментальных исследований позволяют сделать вывод о том, что разработанный ККМ может быть применен в конструкции соплового аппарата турбины перспективного вертолетного двигателя – это может повысить характеристики двигателя за счет повышения температуры газа в камере сгорания до 1500 °С.

Заключения

Опробована технология высокотемпературной пайки ККМ со сплавом ЭП648 с применением сложнолегированных никелевых жаропрочных и никель-медь-марганцевых припоев типа ВПр. Для крепления прототипов неохлаждаемой сопловой лопатки турбины из ККМ в составе экспериментального конструктивно-подобного образца сектора соплового аппарата выбран припой ВПр50 из-за его наиболее низкой эрозионной активности как по отношению к сплаву ЭП648, так и к ККМ системы SiC–SiC_w–B₄C–AlN.

Прототипы неохлаждаемой сопловой лопатки турбины из ККМ в составе экспериментального конструктивно-подобного образца сектора соплового аппарата выдержали высокотемпературные испытания на термостойкость и жаростойкость по заданным режимам без изменения геометрических размеров, растрескивания и уноса материала с поверхности при температуре испытаний 1500 °С. Максимальная температура, зарегистрированная на поверхности неохлаждаемой сопловой лопатки, составила 1560 °С.

Полученные результаты испытаний свидетельствуют о высокой работоспособности разработанного ККМ для неохлаждаемых сопловых лопаток турбины при температурах до 1500 °С.

Благодарность

Авторы выражают благодарность сотрудникам АО «ОДК-Климов» С.Н. Малыгину и Н.А. Шаровой за разработку конструкции экспериментального конструктивно-подобного образца сектора соплового аппарата, ценные консультации и обсуждение результатов работы.