Введение

Наиболее эффективным методом нанесения теплозащитных покрытий (ТЗП), в составе которых, как правило, присутствуют системы на основе оксидных керамик (например, ZrO₂–(7–8 % (по массе)) Y₂O₃), является газоплазменное напыление. Этот вид газотермического напыления предполагает формирование жидкой фазы наносимого покрытия (как правило, непроводящей керамики) за счет нагрева плазмообразующей смеси газов энергией плазмы дугового разряда в виде малых капель-частиц с последующим их переносом на подложку потоком плазмообразующего газа при атмосферном давлении. Эффективность и технологичность метода, выгодно отличающегося от других видов плазменного распыления непроводящих материалов, заключается в том, что керамический порошковый материал подается в зону термализации в виде порошка, а размеры и форма покрываемых изделий, по сути, ограничены лишь сложностью привода плазмотрона, который обеспечивает полное покрытие обрабатываемой поверхности. Помимо этого, метод обладает высокой скоростью нанесения покрытия и высоким коэффициентом использования материала (КИМ). В то время как для альтернативных плазменных технологий (электронно-лучевой и магнетронной) при нанесении непроводящих покрытий КИМ в лучшем случае составляет 20–30 %, скорость напыления ‒ на порядок меньше. Для двух последних способов следует учитывать необходимость поддержания высокого вакуума и ограниченность габаритов обрабатываемых деталей вместимостью вакуумной камеры. Более технологичным в газоплазменном напылении можно считать использование порошкового распыляемого материала вместо отливок катодов и штабиков аналогичного химического состава.

Принципиальное устройство плазмотрона проиллюстрировано на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема плазмотрона

Проходя через зону дугового разряда между вольфрамовым катодом и вольфрамовой вставкой медного анода, плазмообразующий газ нагревается, частично ионизуется и истекает из сопла со скоростью до 200–300 м/с. В результате в зоне выходной апертуры сопла-анода формируется плазменный факел, распределение температуры которого приближенно представлено на рис. 2 [1].

Порошок наносимого материала поступает в струю на срезе сопла и, расплавляясь, вместе с плазмообразующим газом транспортируется к подложке. Регулировкой температуры и скорости плазменной струи достигаются оптимальные режимы напыления различных материалов в широком диапазоне варьируемых параметров (ток дуги, расход рабочего тела и т. п.).

Рис. 2. Распределение температур в плазменной струе в зависимости от расстояния от среза сопла

В настоящее время перед авиадвигателестроительной отраслью стоит задача дальнейшего увеличения ресурса авиационных газотурбинных двигателей (ГТД). Вместе с тем повышаются требования и к жаропрочности деталей горячего тракта ГТД – необходимо увеличение его рабочей температуры с 1200 до 1300–1350 °C и более [2, 3]. Экономически целесообразным методом решения проблем жаропрочности и ресурса является применение теплозащитных покрытий, которые создают барьер разрушающему воздействию высокоэнергетичных потоков рабочих газов. Принцип действия теплозащитных покрытий заключается в снижении теплового потока (~(1–2) МВт/м²), проходящего по толщине детали между ее рабочей и внутренней (принудительно вентилируемой) поверхностями. Достигается это за счет покрытия рабочей поверхности изделия тонким слоем термоизолирующей керамики определенного химического состава.

Основными материалами лопаток ГТД являются жаропрочные никелевые сплавы с коэффициентом теплопроводности λ ≥ 18–20 Вт/(м∙К) [4, 5]. Это накладывает определенные ограничения на химический состав и структуру теплозащитных покрытий.

Например, для теплозащитных покрытий на основе керамик типа ZrO₂–(7–8 % (по массе)) Y₂O₃ с подслоем из MCrAlY (где M: Ni, Ni–Co) коэффициенту теплопроводности λ = 1,95–2,44 Вт/(м∙К) [6–8] в рабочем диапазоне температур 1200–1250 °C соответствует коэффициент линейного теплового расширения α = (8–10)10^–6 К^‒1 [9], что сопоставимо с аналогичной характеристикой материала подложки. При этом данная керамическая система стабильна как по своей структуре, так и по фазовому составу, что позволяет на практике при толщине теплозащитного слоя 70–200 мкм гарантированно получать градиент температуры по толщине керамического слоя до 50–150 °C [10]. Но при превышении порога температуры в 1250 °C данная керамика склонна к фазовым переходам, спеканию и изменению объема, что в свою очередь приводит к увеличению вероятности скола из-за роста термостимулированной оксидной зоны.

В данной работе проведено исследование влияния параметров нанесения керамического слоя теплозащитного покрытия на КИМ.

Материалы и методы

При нанесении керамического слоя теплозащитного покрытия в процессе напыления на производительность технологического процесса оказывают влияние как режим нанесения покрытия, так и технологические свойства порошкового материала. К режиму напыления покрытия на плазмотроне типа F4, т. е. режиму работы технологического оборудования, относят следующие параметры: I – ток дуги, А; Q_Ar и Q_N – расход аргона и азота соответственно, л/мин; Q_тр – расход транспортирующего газа, л/мин; Q_пор – расход порошка, г/мин, а также параметры перемещения плазмотрона (v – скорость перемещения, мм/с; ΔS – шаг смещения плазмотрона, мм; h – дистанция напыления, мм) [11–16]. К основным технологическим параметрам порошкового материала при напылении относят гранулометрический состав и степень сферичности. Физико-химические свойства порошкового материала, такие как химический состав, коэффициент температуропроводности, температуры плавления и кипения, являются индивидуальными и неизменяемыми для вещества, из которого изготовлен порошковый материал [17].

При нанесении покрытия методом плазменного напыления часть порошкового материала после подачи из порошкового питателя покидает плазменную струю по различным причинам – широкого диапазона гранулометрического состава, неоптимального расхода транспортирующего газа. Иногда у части порошка отсутствует адгезионная связь с материалом подложки из-за неоптимальных тока дуги, расхода плазмообразующих и транспортирующего газов, а также непопадания расплавленного порошка на деталь по причине маскировки или выхода струи за пределы проекции детали. В связи с этим КИМ (отношение массы затраченного порошкового материала к привесу на материале основы в виде покрытия) всегда будет не более единицы, причем при соблюдении оптимальных параметров нанесения показатель КИМ тем выше, чем больше габариты обрабатываемой детали. В общем случае КИМ описывается формулой

η = ΔM/M_пор,

где ΔM – привес на детали в виде покрытия; M_пор – количество израсходованного порошкового материала.

При нанесении покрытия методом плазменного напыления на плоские поверхности траектория перемещения плазмотрона представляет собой «лабиринт» с отстоящими друг от друга на расстояние шага смещения ΔS элементами траектории, как показано на рис. 3. На практике величина шага смещения не превышает 2/3 от диаметра пятна от расплавленного потока частиц на поверхности обрабатываемой детали.

Рис. 3. Траектория перемещения среза сопла плазмотрона при напылении на плоскость

На рис. 3 также схематично изображен обрабатываемый плоский образец с размерами сторон a×bи площадью F. При нанесении покрытия на образец количество израсходованного порошкового материала составит

М_пор=Q_порτ,

где τ – время «сканирования» образца проекцией сопла плазмотрона, с.

В свою очередь

,

где L – длина пути «сканирования» образца проекцией сопла плазмотрона, мм; N – количество слоев покрытия.

Длина пути «сканирования» рассчитывается как количество длин b, пройденных проекцией сопла плазмотрона a/ΔS раз:

С учетом размерности расхода порошка (г/мин) после преобразований получаем формулу расчета КИМ при нанесении покрытия на плоскость методом плазменного напыления:

Форма экспериментального образца в конечном итоге не имеет значения, так как любую геометрическую фигуру можно представить в виде суммы бесконечно малых прямоугольников, а следовательно, площадь проекции образца F вычисляется в соответствии с его геометрическими характеристиками.

Для исследования влияния параметров процесса напыления использовали керамический порошковый материал марки Z7Y 45-140S состава ZrO₂–7 % (по массе) Y₂O₃ производства ООО «Т:СП» фракцией 45–140 мкм. Порошковый материал изготовлен методом агломерирования и спекания, в связи с чем частицы имеют сферическую форму. Изображение частиц порошка представлено на рис. 4.

Рис. 4. Порошковый материал марки Z7Y 45-140S

Для исследования влияния параметров напыления фиксировали также значения расхода порошка Q_пор, скорость перемещения среза сопла плазмотрона v, шаг смещения среза сопла плазмотрона ΔS и количество слоев покрытия N. Для начала исследования выбран базовый режим напыления с параметрами: ток дуги I₀, расход аргона Q_Ar0 и азота Q_N0, расход транспортирующего газа Q_тр0 и дистанция напыления h₀.

При исследовании проводили измерение массы образцов до и после нанесения покрытия с точностью до 0,0001 г с целью вычисления КИМ. Съемку микроструктуры получаемого покрытия производили методом оптической микроскопии, получение изображения частиц порошкового материала – методом растровой электронной микроскопии.

Результаты и обсуждение

В ходе исследования в первой итерации проводили варьирование значений тока дуги в диапазоне (0,8–1,2)·I₀ и расхода аргона в диапазоне (1,0–1,66)·Q_Ar0, все остальные параметры фиксировали в соответствии с их базовыми значениями. Результаты представлены в табл. 1 и 2 и на рис. 5.

Таблица 1

Привес на образцах в первой итерации при базовом расходе азота Q_N0

Таблица 2

Коэффициент использования материала в первой итерации при базовом расходе азота Q_N0

Рис. 5. Коэффициент использования материала (КИМ) в первой итерации

В результате варьирования значений тока дуги и расхода аргона при фиксации остальных параметров напыления на уровне базовых значений установлено, что при увеличении тока дуги происходит повышение значений КИМ материала, а при увеличении соотношения расходов аргона и азота ‒ уменьшение значений КИМ. Для второй итерации варьирования параметров напыления выбрано соотношение Q_N/Q_Ar=Q_N0/Q_Ar0.

В ходе исследования во второй итерации проводили варьирование значений тока дуги в диапазоне (0,8–1,2)·I₀, расход азота (Q_N0) и аргона (Q_Ar0) в одинаковом диапазоне 1,0–1,33 при соблюдении строгого соотношения между плазмообразующими газами Q_N/Q_Ar=Q_N0/Q_Ar0. Остальные параметры фиксировали в соответствии со своими базовыми значениями. Результаты представлены в табл. 3 и 4 и на рис. 6.

Таблица 3

Привес на образцах во второй итерации

при строгом соотношении плазмообразующих газов

Таблица 4

Коэффициент использования материала во второй итерации

при строгом соотношении плазмообразующих газов

Рис. 6. Коэффициент использования материала (КИМ) во второй итерации

В результате варьирования значений тока дуги и суммарного расхода плазмообразующих газов в определенном соотношении при фиксации остальных параметров напыления на уровне базовых значений установлено, что при увеличении суммарного расхода плазмообразующих газов происходит уменьшение КИМ.

Таким образом, для дальнейших исследований базовое значение тока дуги фиксируется на уровне 1,2·I₀, а остальные параметры остаются без изменений.

В ходе исследования в третьей итерации проводили варьирование значенийдистанции напыления в диапазоне (0,83–1,17)h₀ и расхода транспортирующего газа в диапазоне (0,75–1,25)Q_тр0, все остальные параметры фиксировали в соответствии с их базовыми значениями. Результаты представлены в табл. 5 и 6 и на рис. 7.

Таблица 5

Привес на образцах в третьей итерации при изменении

дистанции напыления и расхода транспортирующего газа

Таблица 6

Коэффициент использования материала в третьей итерации

при изменении дистанции напыления и расхода транспортирующего газа

Рис. 7. Коэффициент использования материала (КИМ) в третьей итерации

В результате варьирования значений дистанции напыления и расхода транспортирующего газа при фиксации остальных параметров напыления на уровне базовых значений установлено, что при уменьшении дистанции напыления повышается КИМ, в то время как при изменении значений расхода транспортирующего газа в диапазоне варьирования наблюдаются локальные экстремумы, т. е. оптимальные значения расхода газа.

Таким образом, для дальнейших исследований базовое значение дистанции напыления фиксируется на уровне 0,83h₀, прочие параметры остаются без изменений.

В целом следует отметить, что выявленные тенденции влияния параметров напыления могут иметь некоторые ограничения:

– увеличение тока дуги ограничивается возможностями источника питания и ограничением энергетики процесса из-за недопустимости перегрева напыляемой детали;

– уменьшение соотношения расходов плазмообразующих газов аргона и азота ограничивается возможностью выхода из строя плазмотрона при недостатке основного плазмообразующего газа аргона ввиду его склонности «укорачивать» длину электрической дуги между электродом и соплом;

– уменьшение суммарного расхода плазмообразующих газов аргона и азота ограничивается возможностью выхода из строя плазмотрона за счет перегрева газовой смеси;

– уменьшение дистанции напыления ограничивается процессом перемещения плазмотрона (взаимное расположение детали и плазмотрона, геометрическая форма поверхности напыляемой детали) и возможностью перегрева напыляемой детали из-за воздействия плазменной струи.

Проведены исследования влияния технологических свойств порошкового материала на процесс его нанесения методом плазменного напыления. С этой целью проведено разделение исходного порошкового материала на пять более узких фракций в соответствии со стандартными размерами ячеек сеток для просеивания по ГОСТ 6613–86, мкм: 50–63, 63–80, 80–100, 100–125, 125–140. Проведен процесс нанесения керамического слоя покрытия состава ZrO₂–7 % (по массе) Y₂O₃ из порошковых материалов узких фракций по скорректированным базовым режимам. Результаты расчета КИМ представлены в табл. 7.

Таблица 7

Коэффициент использования материала (КИМ) для разного диапазона фракций

В результате исследования показано, что КИМ при нанесении покрытия методом плазменного напыления тем выше, чем меньше фракция используемого порошкового материала. С целью анализа полученных результатов проведена их аппроксимация методом наименьших квадратов [18]. Предположим, что функция зависимости КИМ (h) от среднего значения диапазона фракции (D) имеет вид h(D) = a·D^b, после чего логарифмированием приводится к виду y(x) = ax + b:

Далее коэффициенты a и b вычисляют по формулам [16]

где x_i = lnD_i, y_i = lnh_i.

Достоверность аппроксимации определяется коэффициентом детерминации R², который в свою очередь является квадратом коэффициента корреляции r:

где η(D_i) – значение функции аппроксимирующей зависимости в точке D_i.

Коэффициент корреляции r характеризует тесноту связи экспериментальных параметров с уравнением регрессии. По шкале Чеддока значения 0,7 ≤ r≤ 0,9 соответствуют высокой корреляционной связи, при 0,9 ≤ r ≤ 0,99 – очень высокой.

В результате вычислений аппроксимирующая зависимость КИМ от среднего значения диапазона фракции имеет вид  при R² = 0,993, r= 0,996.

Графический результат вычислений представлен на рис. 8.

При проведении практического эксперимента и его аналитической обработке установлено, что с очень высокой точностью коэффициент использования керамического порошкового материала при плазменном напылении обратно пропорционален квадрату среднего значения диапазона фракции в пределах от 50 до 150 мкм. При этом речь идет о порошковом материале, изготовленном одним методом, имеющим одинаковый химический состав и форму частиц.

Рис. 8. Зависимость коэффициента использования материалов (КИМ) от среднего значения диапазона фракции

Заключения

При проведении исследований влияния параметров нанесения керамического слоя теплозащитного покрытия состава ZrO₂–7 % (по массе) Y₂O₃ методом плазменного напыления на производительность технологического процесса получена зависимость КИМ от параметров напыления. Установлено, что к повышению значений КИМ при плазменном напылении приводит:

– увеличение тока дуги, однако его увеличение ограничивается возможностями источника питания и ограничением энергетики процесса из-за недопустимости перегрева напыляемой детали;

– уменьшение соотношения расходов плазмообразующих газов аргона и азота, однако его уменьшение ограничивается возможностью выхода из строя плазмотрона при недостатке основного плазмообразующего газа аргона ввиду его склонности «укорачивать» длину электрической дуги между электродом и соплом;

– уменьшение суммарного расхода плазмообразующих газов аргона и азота, однако его уменьшение ограничивается возможностью выхода из строя плазмотрона вследствие перегрева газовой смеси;

– уменьшение дистанции напыления, однако ее уменьшение ограничивается процессом перемещения плазмотрона (взаимное расположение детали и плазмотрона, геометрической формы поверхности напыляемой детали) и возможностью перегрева напыляемой детали из-за воздействия плазменной струи;

– уменьшение фракционного состава порошкового материала. С очень высокой точностью коэффициент использования керамического порошкового материала при плазменном напылении обратно пропорционален квадрату среднего значения диапазона фракции в пределах от 50 до 150 мкм. При этом речь идет о порошковом материале, изготовленном одним методом, имеющим одинаковый химический состав и форму частиц.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологии нанесения керамических слоев теплозащитных покрытий методом плазменного напыления.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.