Введение

Одно из основных направлений современного авиационного двигателестроения – повышение ресурса и надежности ответственных деталей газотурбинного двигателя (ГТД). Особенно актуальной является защита от пылевой эрозии, или газоабразивного износа [1]. Износ поверхности газоабразивным потоком зависит как от физико-механических свойств материала подложки или композиции подложка–покрытие, температуры поверхности и ее напряженно-деформированного состояния, так и от условий взаимодействия с пылевоздушным потоком [2]. Газоабразивный износ лопаток компрессора ГТД происходит преимущественно на земле или вблизи земли, главным образом при посадке и взлете вертолетов.

После установки лопатки компрессора в диск также можно столкнуться с процессом фреттинга в замковой части, что приводит к разрушению замка и облому лопатки компрессора. При производстве вертолетных двигателей типа ТВ3-117 и ВК-2500 раньше применяли эрозионностойкое многослойное покрытие ЕК-7 на основе нитридов титана и циркония, а также покрытие для защиты от фреттинга ВАП-2. Покрытие ЕК-7 не обеспечивает приемлемый уровень эрозионной стойкости на лобовых углах атаки, а покрытие ВАП-2 имеет предельную рабочую температуру 250 °С.

Увеличение технических характеристик перспективных вертолетных двигателей повышает требования как к лопаткам компрессора, изготавливаемым из титанового сплава [3, 4], так и к защитным и упрочняющим покрытиям. Перспективной идеей в области нанесения защитных покрытий является использование их многослойных систем с плавным переходом (градиентом), т. е. градиентно-слоистых покрытий. Данные покрытия начали широко применяться в области защиты и увеличения ресурса режущего инструмента (технологии и покрытия фирмы Platit AG, Швейцария). Далее эта концепция получила продолжение и в области защиты ответственных деталей ГТД (лопаток компрессора). Разработками покрытия на основе системы TiN/AlN занялась фирма MTU Aeroengine (Германия).

По данным отечественных и зарубежных источников, градиентно-слоистыми покрытиями можно считать покрытия, представляющие собой многослойные структуры. Технология нанесения таких слоев позволяет путем подбора температурного коэффициента линейного расширения каждого слоя или плавного увеличения расхода газа в процессе плазмохимического синтеза переходить от нижнего слоя к верхнему, создавая между основными слоями покрытия градиентные (переходные) слои. Это хорошо сказывается на адгезии покрытия в целом, а также слоев, входящих в него, и позволяет реализовать весь комплекс защитных свойств, который обеспечивается подслоями, входящими в покрытие. Градиентно-слоистое покрытие может включать подслои, обеспечивающие жаростойкость, а также коррозионную и эрозионную стойкость защищаемой основы [5].

В настоящее время наиболее перспективными и экономически выгодными являются системы градиентно-слоистых многослойных покрытий на основе нитрида титана, содержащих между слоями нитрида металлические или керметные слои, которые влияют на комплекс свойств всей конструкции покрытия. При использовании керметных слоев нитридов хрома и алюминия между слоями нитрида титана можно повысить жаростойкость и коррозионную стойкость при сохранении высокой эрозионной стойкости. Применение металлических слоев на основе титана уменьшает микротвердость покрытия за счет демпфирования [6] при сохранении высокой износостойкости, что позволяет применять подобные системы в условиях фреттинга, защищая основную поверхность и не повреждая контртело.

Использование нанослойного покрытия TiN/CrN в качестве эрозионностойкого является перспективным. Сочетание слоев нитридов титана и хрома обеспечивает повышение эрозионной стойкости за счет внутреннего демпфирования слоев. Исследование эрозионной стойкости, напряженного состояния и конструкции данного покрытия представлено в работе [5]. В качестве защиты от фреттинг-износа можно использовать многослойное покрытие Ti+TiN. Такие покрытия наносят на установке МАП-3, разработанной во ФГУП «ВИАМ». Преимуществом является нанесение как одного, так и другого покрытия на одном оборудовании, что позволяет нанести оба покрытия на моторокомплект за одну смену.

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») [7].

Материалы и методы

Нанесение эрозионностойкого и фреттингостойкого покрытий осуществляли на автоматизированной установке МАП-3 с компьютерным управлением технологическим процессом при помощи составного катода на основе титана и хрома. Нанесение эрозионностойкого покрытия проводили с использованием ассистированного осаждения ионами аргона, которое, по сути, представляет собой процесс послойной имплантации
[8–16] растущего конденсата, что улучшает эксплуатацитонные свойства покрытия.

Для оценки защитных свойств разрабатываемых покрытий проводили испытания образцов с покрытиями на эрозионную стойкость, фреттинг-износ, многоцикловую усталость, виброусталость и длительную прочность.

Оценку эрозионной стойкости ионно-плазменных покрытий осуществляли методом сравнительных испытаний на лабораторном стенде, согласно методике ММ 1.595-2-352–2008 «Определение относительной эрозионной стойкости композиции сплав–покрытие», разработанной во ФГУП «ВИАМ». В качестве эрозионной среды использовали речной кварцевый песок со средним (~(300–350) мкм) и максимальным (700 мкм) размером частиц.

Оценку фреттинг-износа проводили по ASTM G204-10: время испытаний 10⁵ циклов (128 мин), температура 450 °С, контртело – цилиндр из сплава ВТ8, пластина – из сплава ВТ8М-1, нагрузка 10 Н, частота колебаний 13 Гц, амплитуда колебаний 100 мкм, покрытие нанесено на пластину.

Для определения физических свойств покрытий (толщина, уровень остаточных напряжений) выполняли их металлографические и металлофизические исследования. Металлографические исследования проводили с использованием оптического микроскопа с цифровой системой обработки изображения фирмы Olympus при увеличениях до ×1000. Определение остаточных напряжений осуществляли на дифрактометре Дрон-3 с монохроматическим Cu K_α-излучением с помощью метода sin²ψ. Рабочий режим дифрактометра: напряжение 30 кВ, ток 30 мА, время экспозиции 5 с. Применен метод бокового наклона при 7 значениях угла ψ. Положение рентгеновских линий определяли по центру тяжести.

Испытания на виброусталость проводили в соответствии с ОСТ1 00870–77 «Лопатки газотурбинных двигателей. Методы испытаний на усталость» и ОСТ1 00303–79 «Лопатки газотурбинных двигателей. Периодические испытания на усталость» на электродинамическом вибростенде ВЭДС-400 с использованием следующих приборов: генератор низкочастотных сигналов Г3-117, осциллограф С1-83, милливольтметр В3-33, микроскоп МИР-2 (цена деления 0,05 мм).

Лопатки препарированы тензорезисторами типа КФ5П1-3-100-Б12 (база 3 мм).

Градуировку тензометрической аппаратуры (определение зависимости mV=f(σ), где mV – показания милливольтметра В3-33, подключенного к тензометрическому усилителю УТТ-4; σ – напряжения, МПа) проводили по методике, принятой для измерения переменных напряжений при тензометрировании лопаток. Исследования на многоцикловую усталость и длительную прочность образцов с покрытиями осуществляли соответственно по ГОСТ 1-90266–86 и ГОСТ 10145–81.

Заданный уровень напряжений выставлялся и контролировался оператором по размаху колебаний торца лопатки со стороны выходной кромки (с использованием результата предварительно проведенной градуировки лопатки, т. е. зависимости mV=f(2А), где 2А – амплитуда колебаний торца лопатки, мм).

Рис. 1. Внешний вид лопаток компрессора с многослойным эрозионностойким и фреттингостойким покрытиями (а), а также в оснастке для нанесения эрозионностойкого (б) и фреттингостойкого покрытий (в)

На ионно-плазменной установке МАП-3 проводили нанесение многослойного эрозионностойкого покрытия TiN/CrN на образцы и лопатки компрессора из сплава ВТ8М-1 и фреттингостойкого покрытия Ti+TiN на замки лопаток компрессора 1-й ступени из титанового сплава ВТ8М-1. На рис. 1 приведен внешний вид лопаток с покрытием, а также в технологической оснастке для нанесения покрытий.

Результаты и обсуждение

Проведены исследования зависимости эрозионной стойкости многослойного покрытия TiN/CrN от его толщины. В табл. 1 представлены результаты испытаний.

Таблица 1

Относительный эрозионный износ титанового сплава ВТ8М-1 с покрытием TiN/CrN

при обработке поверхности образца виброполировкой

Установлено, что оптимальная толщина эрозионностойкого покрытия составляет от 21 до 14 мкм. Высокий уровень эрозионной стойкости (до 125 раз) обусловлен нанослойной структурой покрытия TiN/CrN, имеющей толщину нанослоев от 40 до 70 нм, что и обуславливает высокие твердость и эрозионную стойкость покрытия [17].

Определены остаточные напряжения в покрытии TiN/CrN разной толщины. Результаты определения остаточных напряжений приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты определения напряжений в покрытии TiN/CrN различной толщины

Показано, что при изменении толщины покрытия в диапазоне от 14 до 20 мкм уровень остаточных напряжений при сжатии принципиально не изменяется (разница соответствует погрешности метода определения). В данном случае на величину остаточных напряжений влияет исключительно соотношение толщин нанослоев нитридов титана и хрома. Между тем уровень полученных остаточных напряжений при сжатии объясняет высокую эрозионную стойкость, в том числе за счет соотношения остаточных напряжений слоев нитридов титана и хрома, обеспечивая демпфирующий эффект при воздействии абразивных частиц [18].

Проведены испытания на эрозионную стойкость лопаток 1-й ступени компрессора ГТД с покрытием TiN/CrN, а также на фреттинг-износ образцов сплава ВТ8М-1 с многослойным покрытием Ti+TiN (табл. 3 и 4).

Таблица 3

Относительный эрозионный износ лопаток 1-ступени компрессора ГТД

и образцов шифра Н03-212 из сплава ВТ8М-1 с покрытием TiN/CrN и без покрытия

Таблица 4

Результаты испытаний на фреттинг-износ образцов

из сплава ВТ8М-1 с различными покрытиями и без покрытия

Результаты испытаний на эрозионную стойкость покрытия TiN/CrN показали ее повышение в 34–50 раз при угле атаки 70 градусов и в 25–38 раз при угле атаки 20 градусов.

Результаты испытаний на фреттинг-износ покрытия Ti+TiN показали, что его фреттингостойкость в 3,31 раза выше по сравнению с аналогичным покрытием ВАП-2.

Проведены металлографические исследования покрытий на цифровом микроскопе Olympus GX51 при увеличении ×1000. Микроструктура покрытий представлена на рис. 2.

Рис. 2. Микроструктура покрытий (×1000) на лопатке компрессора из сплава ВТ8М-1 с покрытиями Ti+TiN (замок, боковая контактирующая плоскость (а, б), травленая поверхность) и TiN/CrN (перо, спинка (в) и корыто (г))

Толщина нанесенного эрозионностойкого покрытия на лопатке компрессора составила 16–18 мкм, а фреттингостойкого ~(7–8) мкм.

Проведены испытания образцов из сплава ВТ8М-1 с фреттингостойким покрытием на многоцикловую усталость и длительную прочность (по ГОСТ 1-90266–86 и ГОСТ 10145–81). Испытания на многоцикловую усталость осуществлялись на паспортном значении предела выносливости титанового сплава ВТ8М-1 (450 МПа при температуре 450 °С). Результаты исследований приведены в табл. 5 и 6.

Таблица 5

Результаты испытаний на многоцикловую усталость

образцов из сплава ВТ8М-1 с фреттингостойким покрытием Ti+TiN и без покрытия

Испытания на длительную прочность проводили на базе 100 и 500 ч при температуре 450 °С. Результаты исследований представлены в табл. 6.

По результатам испытаний на многоцикловую усталость и длительную прочность установлено, что покрытие Ti+TiN не снижает механические свойства сплава ВТ8М-1.

Таблица 6

Результаты испытаний на длительную прочность образцов из сплава ВТ8М-1

с покрытием Ti+TiN и без покрытия при температуре 450 °С

Проведены испытания образцов из сплава ВТ8М-1 с эрозионностойким покрытием TiN/CrN. Результаты представлены на рис. 3. Установлено, что данное покрытие не снижает предел выносливости титанового сплава ВТ8М-1, что можно также объяснить применением ассистированного осаждения [19, 20].

Рис. 3. Результаты испытаний на усталость образцов из сплава ВТ8М-1 с покрытием Ti+TiN/CrN (■) и без покрытия (♦) (▬, ▬ ▬ экспоненциальные кривые)

Для подтверждения механических свойств исследуемых эрозионностойкого и фреттингостойкого покрытий проведены испытания на виброусталость титановых лопаток 1-й ступени вертолетного двигателя из сплава ВТ8М-1 с эрозионностойким и фреттингостойким покрытиями (рис. 1). Испытания проводились при рабочем напряжении 450 МПа (что соответствует эксплуатационной нагрузке) на базе 2·10⁷ циклов.

На рис. 4 приведены основные моменты виброусталостных испытаний, а в табл. 7 и 8 – их результаты.

Рис. 4. Основные операции при проведении испытаний на виброусталость

Таблица 7

Результаты испытаний лопаток 1-й ступени компрессора ГТД

из сплава ВТ8М-1 без покрытий

Таблица 8

Результаты испытаний лопаток 1-й ступени компрессора ГТД

из сплава ВТ8М-1 с покрытиями

По результатам виброусталостных испытаний установлено, что при напряжении 450 МПа на базе 2·10⁷ циклов эрозионностойкое и фреттингостойкое покрытия не ухудшают усталостную долговечность титановых лопаток компрессора из сплава ВТ8М-1.

Заключения

Установлено, что покрытие TiN/CrN многократно (до 38 раз – на лопатке компрессора и до 125 раз – на образце) повышает эрозионную стойкость лопаток компрессора ГТД. Показано, что оптимальной для данного покрытия является толщина в диапазоне от 15 до 18 мкм, а уровень остаточных напряжений в покрытии TiN/CrN преимущественно определяется его конструкцией, а не толщиной (в диапазоне от 15 до 20 мкм).

Выявлено, что покрытие Ti+TiN повышает фреттингостойкость замковой части лопаток ГТД, а также имеет более высокие температуру эксплуатации и показатель фреттинг-износа (в 3 раза выше), чем у серийного покрытия ВАП-2. Конструкция покрытия TiN/CrN позволяет успешно применять его как на титановых сплавах, так и на сталях.

На основании результатов испытаний образцов из сплава ВТ8М-1 на многоцикловую усталость и длительную прочность, а лопаток 1-й ступени на виброусталость установлено, что ионно-плазменные эрозионностойкое (TiN/CrN) и фреттингостойкое покрытия (Ti+TiN) не оказывают влияния на механические свойства лопаток компрессора из титанового сплава ВТ8М-1.

За счет нанесения обоих покрытий на установке МАП-3 и частичного применения одинаковых материалов для покрытий (катод из сплава ВТ1-0) происходит не только оптимизация технологического цикла, но и снижение его стоимости. Кроме того, автоматизация технологии позволяет использовать менее квалифицированный персонал.

Данные многослойные покрытия, полученные с применением комплексной ионно-плазменной технологии, могут быть использованы для серийных и перспективных вертолетных ГТД, эксплуатирующихся в том числе в условиях запыленного воздуха.