Введение

Эксплуатация воздушных судов в различных климатических условиях сопровождается рядом неблагоприятных факторов: пылевоздушной эрозией, воздействием коррозионной среды во влажном или морском климате. С точки зрения снижения массы газотурбинных двигателей (ГТД) перспективным направлением является широкое использование титановых сплавов для изготовления ответственных деталей горячего тракта – лопаток компрессора высокого давления. Для их защиты от неблагоприятных факторов, возникающих при эксплуатации, применяют универсальные эрозионно-коррозионностойкие (ЭК) ионно-плазменные покрытия [1, 2].

Основными разработчиками таких покрытий являются: MDS-Prad (Канада), General Electric Company (США), MTU Aeroengine (Германия), НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ (Россия), АО «НПЦ Уралавиаспецтехнология» (Россия). Работы в этой области также проводят в Китае и Японии.

По своей конструкции ЭК-покрытия могут быть различными: многослойные (в том числе с нанослоями), сочетающие эрозионностойкие и коррозионностойкие слои; монослойные гетероструктуры на основе нитридов титана; композиционные. Недостатком перечисленных технологий, несмотря на высокие показатели эрозионной и коррозионной стойкости, является невозможность осаждения покрытий на крупногабаритные детали ГТД (свыше 180 мм в высоту и 100 мм в ширину).

Немаловажным аспектом в области исследований является укрупнение узлов компрессора ГТД, т. е. переход от конструкции «диск + рабочие лопатки» к конструкции «моноколесо типа «блиск» (в том числе центробежный компрессор-импеллер)». Использование импеллера в малогабаритном вертолетном двигателе или двигателе беспилотного летательного аппарата имеет явные преимущества, поскольку позволяет добиться такой же компрессии воздуха, как и многоступенчатый компрессор той же мощности, при гораздо меньших габаритах. С учетом большого размера блисков или импеллеров (>280 мм), а также сложности конструкции (заключающейся в наличии больших зон перекрытия для осаждаемых покрытий при использовании классических испарителей и приводов деталей) необходимо помимо оборудования с объемной рабочей камерой применять усовершенствованные приводы вращения деталей и источники с протяженной зоной испарения.

В России существует большой задел в области разработки технологий нанесения и материалов ЭК-покрытий для ответственных компонентов компрессора авиационных (вертолетных) ГТД и автоматизированного оборудования для их получения. В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ накоплен значительный опыт в разработке защитных покрытий для деталей и узлов трения современных ГТД. Большинство технологий высокотемпературного осаждения ионно-вакуумных покрытий разработано для установок МАП, включая установку МАП-3 с возможностью подачи потока высокоэнергетических газовых ионов через имплантор (ускоритель) в процессе формирования покрытий (так называемое ассистированное осаждение). Например, ионно-вакуумное покрытие TiN–CrN, наносимое с использованием ассистирования ионами аргона на установке МАП-3, имеет высокую эрозионную и коррозионную стойкость на титановых сплавах и стали [3, 4]. Анализ научно-технических литературных источников [5–9] также подтвердил, что применение композиционных покрытий, сочетающих монослои нитридов, нанослои (до 100 мкм) и промежуточные микронные слои, улучшает адгезию покрытия к основе. С учетом высокой чувствительности титановых сплавов к образованию на поверхности трещин усталости важное значение при конструировании покрытия имеет подбор слоев, коэффициент линейного теплового расширения которых позволит сформировать на границе подложки с покрытием приемлемый уровень остаточных напряжений – до 1,5 ГПа [10]. Конструкция покрытия с правильно подобранной толщиной обеспечит повышение эрозионной стойкости, сохранит механические характеристики титановой основы.

Существенным вопросом является обеспечение коррозионной стойкости титановых сплавов. Известно, что титан обладает высокой стойкостью к коррозии и при отсутствии нагревов (при естественной температуре окружающей среды) не разрушается под воздействием природных факторов. Между тем при эксплуатации ГТД в условиях приморского и морского климата на поверхности титановых лопаток образуются солевые отложения (корка). Во время работы двигателя титановая лопатка компрессора испытывает виброусталостные нагрузки при температуре порядка 350–500 °С (в зависимости от ступени компрессора и сплава). Солевая корка создает трещины усталости, образующиеся под действием растягивающих напряжений [11, 12]. Данный процесс характеризуется как горячая солевая коррозия титановых сплавов под напряжением. Для нивелирования процесса к ЭК-покрытиям следует предъявлять особые требования, заключающиеся в противодействии механизму трещинообразования на поверхности самого сплава.

Повышения стойкости к пылевоздушной эрозии и горячесолевой коррозии ЭК-покрытий на титановых сплавах можно добиться за счет применения покрытий гетерогенных структур на основе нитридов (сложных нитридов с добавлением Al, Cr, V); ассистирования газовыми ионами, в частности Ar и N; использования наноструктурных систем с чередующимися твердым эрозионностойким и мягким коррозионностойким слоями, барьерных (промежуточных) слоев; комбинирования различных способов нанесения.

Материалы и методы

Эрозионно-коррозионностойкие покрытия для повышения функциональных свойств титановых моноколес компрессора вертолетных ГТД наносили на установке роторного типа МАП-5 (оборудование НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ).

Рис. 1. Внешний вид установки МАП-5

Установка (рис. 1) имеет четыре испарителя, расположенных двумя парами оппозитно друг другу для обеспечения более высокой скорости осаждения на крупногабаритные детали (блиски, моноколеса, блинги). Привод вращения детали расположен в центре и позволяет перемещать покрываемую деталь поочередно между двумя парами катодов. Составы катодов, использованных для нанесения покрытий на образцы из титановых сплавов, указаны в табл. 1.

Таблица 1

Катоды, используемые для нанесения покрытия

Для исследования ЭК-покрытий, обеспечивающих защиту моноколес из титановых сплавов, выбраны следующие составы: комбинированное покрытие на основе мононитрида титана с промежуточным металлическим слоем TiN/Ti/TiN; наноструктурные покрытия TiN–CrN и Ti–Al–Сr–N–TiN, состоящие из слоев нитридов толщиной <100 нм; комбинированное покрытие (Ti–Al–Сr–N–TiN)–TiN. В качестве основы использовали круглые образцы из сплавов на основе титана марок ВТ8М-1 и ВТ25У.

Толщину исследуемых покрытий варьировали от 5 до 20 мкм. Необходимость такого подхода обусловлена чувствительностью титановых сплавов к состоянию поверхности  при знакопеременных нагрузках – наличию концентраторов, упрочнения и т. д. При формировании покрытия изменяется структурно-фазовое состояние поверхности, поэтому толщина и состав покрытия влияют на предел выносливости. Испытания на стойкость к газоабразивному износу (пылевоздушной эрозии) проводили на эрозионном стенде по методике НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в течение трех циклов при давлении воздуха 3 ат (0,3 МПа). Использовали кварцевый песок средней фракции 300–350 мкм. Испытания проводили при двух углах атаки пылевоздушного потока на образец: 70 и 20 градусов, что имитирует прямой и касательный удар соответственно.

Сравнительные испытания на коррозионную стойкость образцов титановых сплавов с ЭК-покрытиями проводили по методике испытаний на горячесолевую коррозию. Методика заключается в нанесении на галтельные образцы, используемые для испытаний на длительную прочность, солевой корки NaCl толщиной 50 мкм. Образцы испытывали при нагружении, соответствующем пределу прочности титановых сплавов на базе 100 ч. Оценку проводили по числу пройденных часов до разрушения в сравнении с образцами без покрытия.

Микроструктуру исследовали методами оптической металлографии при увеличении до ×1000 на оптическом микроскопе Olympus GX 51. Образцы для металлографических исследований вырезали в направлении, перпендикулярном поверхности. Исследования с применением метода рентгеновской дифракции проведены на дифрактометре Empyrean в монохроматическом Cu K-излучении при длине волны λ = 1,5418·10^–10 м. Остаточные напряжения определены методом sin²ψ, выбраны рентгеновская линия (511) в диапазоне 138–145 градусов/2θ (при шаге 2θ, равном 0,016 градуса), продолжительность набора импульсов 40 с. Величина модуля упругости составляет 250 ГПа.

Испытания на многоцикловую усталость (МнЦУ) проводили по ГОСТ 25.502–79 при температуре 500 °С и нагружении 480 МПа на базе 2·10⁷ циклов.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Для оценки качества и определения толщины нанесенных на титановые сплавы покрытий выбранных составов исследована микроструктура поперечных шлифов. В качестве примера на рис. 2 приведена микроструктура двух покрытий: TiN/Ti/TiN и (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN. Покрытия имеют равномерную толщину, составляющую ~20 мкм. Наблюдается некоторое количество микрокапельной фракции. В покрытии TiN/Ti/TiN определен промежуточный титановый слой, в покрытии (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN – двухслойная структура с верхним слоем TiN и подслоем TiN–Ti–Al–Cr–N.

Рис. 2. Микроструктура покрытий TiN/Ti/TiN (а) и (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN (б) на титановом сплаве  (×1000)

Проведены испытания на стойкость к газоабразивному износу образцов из сплавов ВТ8М-1 и ВТ25У с ЭК-покрытиями различной толщины (табл. 2). Высокой газоабразивной стойкостью обладают покрытия (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN и TiN/Ti/TiN: повышение эрозионной стойкости в 4–27 раз. Покрытие TiN–Ti–Al–Cr–N показало низкие значения эрозионной стойкости при лобовом и касательном воздействии пылевоздушного потока; покрытие TiN–CrN – низкие значения эрозионной стойкости при лобовом обтекании и удовлетворительные значения при касательном износе. В работе [13] показано, что наноструктурное покрытие типа TiN–CrN на сплаве ВТ8М-1 имеет гораздо более высокие показатели эрозионной стойкости (до 25 раз больше, чем у основы) за счет применения имплантора.

Таблица 2

Эрозионная стойкость титановых сплавов

с эрозионно-коррозионностойкими покрытиями

Установлено, что эрозионная стойкость исследуемых покрытий снижается с уменьшением их толщины, что согласуется с данными работы [13]. Комбинированные покрытия, содержащие монослои достаточной толщины (не менее 10 мкм), имеют бóльшую эрозионную стойкость на малых толщинах и не нуждаются в использовании газового имплантора.

Испытания на горячесолевую коррозию образцов сплава ВТ25У с ЭК-покрытиями проведены при температуре 500 °С и приложенном напряжении 685 МПа (табл. 3).

Таблица 3

Горячесолевая коррозия образцов титанового сплава ВТ25У с эрозионно-коррозионностойкими покрытиями

Наибольшее значение сопротивления горячесолевой коррозии имеют образцы с покрытием TiN–CrN, на втором месте – образцы с покрытием (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN. Покрытие TiN/Ti/TiN имело низкие значения стойкости к горячесолевой коррозии. Стойкость к горячесолевой коррозии образцов с покрытием (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN снижалась с уменьшением толщины покрытия [14]. Применение слоистых покрытий типа TiN–CrN для защиты моноколес из титановых сплавов от эрозионного и коррозионного воздействия возможно в случае комплектации установок типа МАП-5 ускорителем газовых ионов, так как ассистированное осаждение многократно повышает эрозионную стойкость подобных систем покрытий [13].

Результаты испытания образцов из сплава ВТ25У с ЭК-покрытиями TiN/Ti/TiN и (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN на МнЦУ приведены в табл. 4. Покрытия TiN/Ti/TiN и (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN при толщине 16 и 20 мкм ухудшают выносливость сплава ВТ25У. При толщине покрытия (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN не более 12 мкм образцы титановых сплавов проходят базу испытаний.

Таблица 4

Многоцикловая усталость образцов из титанового сплава ВТ25У

с эрозионно-коррозионностойкими покрытиями

Определены остаточные напряжения покрытия (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN на образцах сплава ВТ25У при разных толщинах. Все измеренные остаточные напряжения являются сжимающими (табл. 5).

Таблица 5

Остаточные напряжения в покрытии (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN на образцах сплава ВТ25У

С уменьшением толщины покрытия (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN величина остаточных напряжений снижается, что позитивно влияет на предел выносливости защищаемой титановой основы. Однако при этом снижаются эрозионная стойкость и стойкость к горячесолевой коррозии [15].

Исследовано влияние эрозионного воздействия кварцевых частиц на ЭК-покрытия TiN/Ti/TiN и (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN. Толщина покрытия в исходном состоянии составила 16 мкм. В табл. 6 приведены результаты измерения остаточных напряжений после эрозионных испытаний для ЭК-покрытий на образцах сплава ВТ25У. Установлено, что в результате эрозионных испытаний величина остаточных напряжений увеличивается. При угле воздействия 70 градусов прирост больше, чем при касательном угле. Рост значений остаточных напряжений после испытаний связан с механизмом нагартовки слоев покрытия бомбардируемыми частицами кварца. При касательном угле воздействия величина остаточных напряжений увеличивается незначительно, а значит, риск превысить значение когезионной и адгезионной прочности покрытия (и тем самым вызвать скалывание) к основе меньше. При угле воздействия 70 градусов прирост величины остаточных напряжений составляет 60–70 %. Это означает, что при касательном износе ЭК-покрытия будет действовать механизм постепенного выкрашивания, а при лобовых углах – возможно катастрофическое разрушение покрытия.

Таблица 6

Остаточные напряжения в ЭК-покрытиях на образцах сплава ВТ25У

после испытаний на эрозионную стойкость

Именно сжимающие напряжения определенного диапазона значений улучшают адгезионную и когезионную прочность покрытий при воздействии газоабразивного потока, а также препятствуют образованию поверхностных трещин под влиянием солевой корки в условиях высокой температуры. Для покрытия (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN определена рабочая толщина (12–13 мкм), которая обеспечивает удовлетворительное повышение эрозионной и коррозионной стойкости и не влияет на выносливость (сопротивление знакопеременным нагрузкам) титановой основы. Благодаря подслою TiN–Ti–Al–Cr–N покрытие обладает высокой жаростойкостью при температуре 500 °С [16–18].

С целью отработки технологии для титановых моноколес вертолетных ГТД на установке МАП-5 наносили ЭК-покрытие (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN на конструктивно-подобный образец (КПО) центробежного компрессора высокого давления, изготовленного методом селективного лазерного сплавления [19].

Распределение толщин полученного покрытия по рабочим плоскостям КПО (рабочие и сплиттерные лопатки) определяли методом оптической металлографии в зонах, указанных на рис. 3.

Рис. 3. Зоны исследований конструктивно-подобного образца моноколеса с покрытием
(TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN

Таблица 7

Толщина эрозионно-коррозионностойких покрытий

(среднее значение по результатам пяти измерений)

Средняя толщина покрытия (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN на КПО изменяется от 2,3 до 13 мкм (табл. 7). Максимальная толщина покрытия соответствует наиболее эрозионно-нагруженной зоне центробежного колеса. В целом, несмотря на сложный профиль КПО, не наблюдается непокрытых зон, что обеспечивается применением катодов с протяженной зоной испарения, а также специальным взаимным расположением привода детали и катодов.

Заключения

Исследованы ЭК-покрытия, применимые для защиты моноколес центробежного компрессора вертолетных ГТД. Установлено, что рабочая толщина для обеспечения эрозионной стойкости покрытий (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN и TiN–CrN составляет 12–13 мкм. При небольшой толщине ЭК-покрытия и без применения газового имплантора преимущество имеют монослойные покрытия либо составные покрытия с верхним монослоем нитрида металлов не менее 10 мкм. Защитный эффект при горячесолевой коррозии коррелирует с толщиной покрытия и уровнем сжимающих напряжений – чем больше значения остаточных напряжений, тем лучше защитный эффект. Для сохранения свойств сопротивления усталости титана рекомендуемая толщина композиционных покрытий типа TiN/Ti/TiN и (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN должна составлять не более 12–13 мкм, а уровень сжимающих остаточных напряжений должен быть не более 1200 МПа. По комплексу исследованных свойств (эрозионная и коррозионная стойкость, предел выносливости) лучшим из рассмотренных покрытий, наносимых на установке МАП-5, является покрытие (TiN–Ti–Al–Cr–N)–TiN, средняя толщина которого на КПО изменяется от 2,3 до 13 мкм. Максимальная толщина покрытия соответствует наиболее эрозионно-нагруженной зоне центробежного колеса и является оптимальной по комплексу исследованных свойств для защиты титановых моноколес вертолетных ГТД.