Введение

Для изготовления газотурбинных двигателей нового поколения применяют жаропрочные никелевые сплавы [1–5], обладающие высокими уровнями жаростойкости, коррозионной стойкости и эксплуатируемые при рабочих температурах до 1200 °С. Несмотря на высокие уровни свойств, для продления ресурса работы жаропрочных никелевых сплавов используют конденсационно-диффузионные покрытия (КДП), которые наносят различными методами.

В России широкое применение получил метод вакуумной плазменной технологии высоких энергий, разработанный в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ [6–7]. При реализации данного метода на поверхность пера лопаток наносят широкую номенклатуру КДП: жаростойкие, коррозионностойкие, эрозионностойкие и др. [8–10].

Для продления срока службы жаропрочного никелевого сплава, работающего при температуре 1100–1150 °С, на рабочую поверхность пера лопатки наносят КДП системы NiCoCrAlY + AlNiSiВ. Данное покрытие предназначено для защиты от газовой коррозии при температуре до 1050 °С и от сульфидно-оксидной коррозии деталей газотурбинных двигателей, работающих при температурах до 950 °C [11–15].

В производственных условиях КДП толщиной до 100 мкм наносят на поверхность пера рабочих и сопловых лопаток с помощью ионно-плазменных установок типа МАП. Для крупногабаритных деталей в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработаны установки роторного типа МАП (МАП-Р, МАП-5) [16].

Для обеспечения заданных свойств необходимо соблюдать требования и параметры процесса на всех этапах нанесения КДП на поверхность детали, которые изложены в технологических инструкциях разработчика покрытия. Одной из причин образования дефектов на границе сопряжения «сплав–покрытие» может стать нарушение технологии подготовки рабочей поверхности на этапе ионной обработки ‒ в частности, несоблюдение параметров подачи напряжения смещения вследствие загрязненной поверхности обрабатываемых деталей, нестабильности работы источника, несрабатывания ключа защиты или неправильного подключения регистрирующего прибора напряжения смещения. Вторым фактором образования дефектов на границе сопряжения «сплав–покрытие» может служить нарушение рекомендаций разработчиков материала и технологии напыления КДП. Несоблюдение требований к конструкции покрытия, характеризующейся соотношением толщин конденсированного никелевого слоя и диффузионного алюминиевого слоя, может привести к сквозному алитированию конденсированного слоя до жаропрочного сплава. В поверхностном слое сплава могут образоваться вторичная реакционная зона или пройти процессы некомпенсированной взаимной диффузии элементов сплава и покрытия.

При разработке и применении КДП одной из важнейших характеристик является соотношение толщины (мкм) покрытия внутреннего конденсированного слоя системы MeCoCrAlY и величины удельного привеса (г/м²) алюминиевого слоя. Это соотношение влияет на конструкцию и тип защитного жаростойкого покрытия, которое формируется после проведения высокотемпературного вакуумного диффузионного отжига. В свою очередь, температурно-временнꞌые параметры вакуумного термодиффузионного отжига влияют на глубину алитированного слоя, поэтому для каждой системы разработанного КДП необходимо подбирать соответствующий режим.

В работе [17] описаны условия получения КДП системы MeCoCrAlY + AlNiY с дефектами на границе сопряжения «сплав–покрытие», возникшими в результате нарушения технологических параметров ионной очистки и конструкции покрытия при несоблюдении рекомендованного соотношения толщины конденсированного никелевого слоя и величины удельного привеса алюминиевого слоя. В модельном эксперименте показано, что переизбыток алюминиевого слоя при термодиффузионном отжиге приводит к протеканию процессов некомпенсированной взаимной диффузии элементов КДП и основы, вследствие чего на границе сопряжения «сплав–покрытие» образуется цепочка пор (эффект Киркендалла). Показано, что при соблюдении параметров ионной обработки поверхности при нанесении КДП с градиентным осаждением на начальной стадии формирования покрытия и работающим в постоянном или импульсном режимах источнике смещения на границе сопряжения «сплав–покрытие» не образуются дефекты, которые могут стать причиной скалывания, растрескивания, отслаивания, снижения адгезионной прочности. Режимы работы смещения существенно не влияют на уровень данных характеристик.

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

Материалы и методы

Для определения причин возникновения дефектов на границе сопряжения «сплав–покрытие» на начальной стадии осаждения КДП проведен модельный эксперимент, включающий нанесение покрытия системы NiCoCrAlY + AlNiSiВ для защиты жаропрочного никелевого сплава от сульфидно-оксидной коррозии при температуре до 950 °С и высокотемпературного окисления при температуре до 1050 °С. Данный эксперимент отличается от серийной технологии нанесения градиентным началом осаждения для получения минимальных размеров капельной фазы с последующим увеличением величины тока вакуумной дуги и, как следствие, размеров капельной фазы, а также возможностью источников смещения регулировать напряжение в постоянном или импульсном режимах.

В качестве макета лопатки изготовлены образцы-свидетели из жаропрочного никелевого сплава прямоугольной формы с максимальными габаритами 3×20×230 мм и цилиндрической формы диаметром 25 мм и длиной 8 мм для контроля распределения толщины покрытия по высоте обрабатываемой детали, которые можно напылять в ионно-плазменной установке с ассистированным осаждением МАП-3. Внешний вид вакуумно-дуговой установки МАП-3 с автоматизированной системой управления технологическим процессом с ассистированным осаждением представлен на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид вакуумно-дуговой установки МАП-3 с автоматизированной системой управления технологическим процессом с ассистированным осаждением

Установка МАП-3 оснащена двумя инверторными источниками смещения со встроенными ключами дугогашения типа ELB-40/450 (работает при постоянном режиме, напряжении до 450 В и токе до 40А) и типа СПЭС-56 (работает при постоянном и импульсном режимах, напряжении до 1000 В, токе до 56 А, частоте от 1 до 40 кГц). Методом вакуумной плазменной технологии высоких энергий в ионно-плазменных установках типа МАП реализовано два электрических контура управления технологическим процессом: первый (катод и анод) отвечает за формирование плазмы материала катода в рабочей камере установки, второй (детали–опорный электрод) – за управление энергией ионного потока. Изменяя величину тока вакуумной дуги можно управлять размером капельной фазы, регулируя величину напряжения смещения – проводить процессы осаждения, травления и насыщения поверхности деталей ионами материала катода.

Основной стадией перед нанесением КДП является подготовка поверхности детали и образцов-свидетелей. От качества подготовки поверхности перед нанесением КДП и ионной очистки деталей в рабочей камере установки типа МАП зависят адгезионная составляющая и количество дефектов на границе сопряжения «сплав–покрытие». В данной работе применяли серийную технологию подготовки поверхности образцов-свидетелей перед напылением: обезжиривание в ацетоне, промывка в щелочном растворе, сушка, поверхностная обдувка электрокорундом, промывка в ультразвуковой ванне с дистиллированной водой и сушка.

После подготовки поверхности образцы-свидетели закрепляли в технологической оснастке и размещали в рабочей камере установки МАП-3 (рис. 2). С целью увеличения обрабатываемой площади для стабильной работы инверторных источников смещения в рабочей камере также размещали цилиндрические имитаторы.

Рис. 2. Внешний вид образцов-свидетелей, размещенных в рабочей камере установки МАП-3

Перед градиентным осаждением увеличили время ионной очистки в плазме материала покрытия для сравнения с серийной технологией, а также повышения качества подготовки и активации поверхности образцов-свидетелей.

Далее КДП системы NiCoCrAlY + AlNiSiВ наносили по серийной технологии и с градиентным началом осаждения при работе инверторных источников смещения со встроенными ключами дугогашения типа ELB-40/450 в постоянном режиме и типа СПЭС-56 в постоянном и импульсном режимах. Градиентное начало осаждения проводили при токе вакуумной дуги 500 А, уровень которого плавно увеличивали до 700 А в течение 10 мин, тем самым варьировали размеры капельной фазы, начиная осаждение с капель меньшего размера, чем капли, характерные для данного материала катода при заданном токе вакуумной дуги 700 А. Параметры смещения соответствовали серийным. Отличительной особенностью процесса было наличие инверторных источников смещения разных производителей, в одном из которых реализован импульсный режим работы с частотой до 40 кГц.

После нанесения КДП системы NiCoCrAlY + AlNiSiВ по серийной технологии и с градиентным началом осаждения при работе инверторных источников смещения со встроенными ключами дугогашения в постоянном и импульсном режимах образцы-свидетели разделили на две части: в исходном состоянии и после вакуумного отжига. Следует отметить, что градиентное осаждение применяли и для диффузионного слоя AlNiSiВ, за исключением образцов, полученных по серийной технологии.

Для металлографического исследования границы сопряжения «сплав–покрытие» на наличие дефектов после осаждения КДП из образцов-свидетелей изготовлены шлифы в местах максимума напыления, в условном месте перехода полки лопатки в перо и в районе верхней бандажной полки.

На рис. 3 представлена модельная схема расположения «горячего» и «холодных» сечений выбранных для исследования микроструктур покрытия на образцах-свидетелях, имитирующих высоту крупногабаритной лопатки газотурбинного двигателя. Материалы, отобранные для исследования на высоте 125 мм на образце-свидетеле, соответствуют «горячему» сечению пера лопатки, на высоте 45 и 220 мм – «холодным» сечениям нижней и верхней частей пера лопатки соответственно.

Рис. 3. Модельная схема расположения «горячего» и «холодных» сечений, выбранных для исследования микроструктур покрытия на образцах-свидетелях, имитирующих высоту рабочей лопатки газотурбинного двигателя: 1 – рабочая поверхность пера лопатки; 1.1 – рабочая поверхность; 2 – верхняя плоскость «холодного» сечения пера лопатки у бандажной полки;
2.2 – верхняя плоскость «холодного» сечения; 3 – плоскость «горячего» сечения; 4 – плоскость фиксатора установки МАП-3; 5 – нижняя плоскость «холодного» сечения; 6 – плоскость расположения среза трубки вращения детали на карусели

Металлографические исследования образцов-свидетелей после нанесения КДП системы NiCoCrAlY + AlNiSiВ в исходном состоянии и после вакуумного отжига проводили на оптическом микроскопе с цифровой системой обработки изображения при увеличении ×500.

Результаты и обсуждение

Цель данной работы – показать различия между серийной технологией осаждения КДП и технологией, предусматривающей градиентное нанесение первичных слоев, в первую очередь конденсированного слоя NiCoCrAlY, для уменьшения количества дефектов на границе сопряжения «сплав–покрытие» за счет формирования минимального размера капельной фазы на начальном этапе осаждения. Зачастую именно от начальной стадии ионной очистки зависят свойства покрытия. При некачественной ионной очистке, связанной либо с поломкой источника смещения, ключа дугогашения, либо с неправильной их настройкой, некорректной продолжительностью ионной очистки, а также при нарушениях, допущенных при подготовке поверхности деталей перед нанесением, на границе сопряжения «сплав–покрытие» наблюдаются дефекты в виде черных включений и отслоений. В задачи данной работы также входило изучение влияния импульсного режима инверторного источника питания на осаждение КДП. Поэтому для оценки качества ионной очистки, градиентного осаждения и осаждения с импульсным смещением, а также контроля толщины нанесенного КДП системы NiCoCrAlY + AlNiSiВ в различных сечениях изготовлены шлифы в исходном состоянии и после вакуумного отжига.

Микроструктуры КДП системы NiCoCrAlY + AlNiSiВ, нанесенного по серийной технологии, а также с градиентным началом осаждения при работе инверторных источников смещения со встроенными ключами дугогашения в постоянном и импульсном режимах на прямоугольный образец-свидетель из никелевого сплава, в местах максимума (125 мм), минимальной (45 мм) и максимальной (220 мм) зон напыления до вакуумного отжига представлены на рис. 4.

Четко видны границы сопряжения «сплав–покрытие», а также между никелевым конденсированным слоем системы NiCoCrAlY и алюминиевым диффузионным слоем системы AlNiSiВ. Значительных дефектов на границе сопряжения «никелевый сплав–конденсированный слой системы NiCoCrAlY» во всех исследуемых зонах образцов-свидетелей не наблюдается. Присутствует шероховатость, характерная для подготовки поверхности обдувкой электрокорундом с размером фракции F100. В минимальных и максимальных зонах напыления наблюдаются включения на границе сопряжения в виде черных точек. Возможно, это частички электрокорунда, оставшиеся после обдувки, или пористость, образовавшаяся за счет конденсации более крупных капель, или грязь, появившаяся после травления. Больше всего дефектов зафиксировано в максимальной зоне напыления (220 мм). Отсутствуют дефекты и на границе сопряжения «никелевый слой–алюминиевый слой». Толщина КДП системы NiCoCrAlY + AlNiSiВ, нанесенного по серийной технологии и с градиентным началом осаждения при работе инверторных источников смещения со встроенными ключами дугогашения в постоянном и импульсном режимах, до вакуумного отжига составляет от 73,4 до 103,6 мкм. Существенной разницы в конденсатах покрытий, полученных при работе инверторных источников смещения в постоянном и импульсном режимах, не наблюдается.

С целью дальнейшего исследования изготовили микрошлифы из образцов-свидетелей, прошедших вакуумный отжиг. В полученных шлифах на границе сопряжения «сплав–покрытие» пористости не наблюдается, присутствует классическая структура легированного КДП с тремя четкими переходными зонам (рис. 5). В верхней (рабочей) зоне покрытий формируется интерметаллидная фаза NiAl, в которой содержатся жаро- и коррозионностойкие элементы – алюминий и хром в количестве 25 и 15 % (по массе) соответственно. Как правило, содержание алюминия снижается при переходе от рабочей зоны к границе сопряжения «сплав–покрытие». Белые мелкодисперсные включения представляют собой вытесненный алюминием чистый альфа-хром, который неравномерно распределен по толщине КДП и присутствует в виде тугоплавких карбидов. Толщина КДП системы NiCoCrAlY + AlNiSiВ, нанесенного по серийной технологии и с градиентным началом осаждения при работе инверторных источников смещения со встроенными ключами дугогашения в постоянном и импульсном режимах, после вакуумного отжига составляет от 71,1 до 102,1 мкм.

Рис. 4. Микроструктуры (×500) конденсационно-диффузионного покрытия системы NiCoCrAlY + AlNiSiВ, нанесенного по серийной технологии (а–в) и с градиентным началом осаждения (г–м) при работе инверторных источников смещения со встроенными ключами дугогашения типа ELB-40/450 (а–е) и типа СПЭС-56 (ж–м) в постоянном (а–и) и импульсном
(к–м) режимах на прямоугольный образец-свидетель из никелевого сплава, в местах максимума, минимальной и максимальной зон напыления до вакуумного отжига

Рис. 5. Микроструктуры (×500) конденсационно-диффузионного покрытия системы NiCoCrAlY + AlNiSiВ, нанесенного по серийной технологии (а–в) и с градиентным началом осаждения (г–м) при работе инверторных источников смещения со встроенными ключами дугогашения типа ELB-40/450 (а–е) и типа СПЭС-56 (ж–м) в постоянном (а–и) и импульсном
(к–м) режимах на прямоугольный образец-свидетель из никелевого сплава, в местах максимума, минимальной и максимальной зон напыления после вакуумного отжига

Для получения заданной конструкции КДП необходимо соблюдать соотношение толщин слоя системы NiCoCrAlY и внешнего алюминиевого слоя системы AlNiSiВ, что позволяет получить серийную структуру и исключить дефекты легированного диффузионного покрытия в виде образования пористости на границе сопряжения «жаростойкий сплав–жаростойкое покрытие». Для изучения свойств КДП, полученных по серийной технологии и с градиентным началом осаждения при работе инверторных источников смещения со встроенными ключами дугогашения в постоянном и импульсном режимах, следует провести работу по их испытаниям на стойкость к сульфидно-оксидной коррозии и жаростойкость.

Заключения

Приведены результаты технологических приемов при осаждении КДП системы NiCoCrAlY + AlNiSiВ для защиты никелевого сплава от сульфидно-оксидной коррозии и высокотемпературного окисления при серийной технологии и градиентном осаждении с целью получения минимального размера капельной фазы в начальный момент осаждения при работе напряжения смещения в постоянном или импульсном режимах. Покрытие наносили на установке МАП-3, оснащенной двумя инверторными источниками смещения со встроенными ключами дугогашения типа ELB-40/450 в постоянном режиме и типа СПЭС-56 в постоянном и импульсном режимах без ассистированного осаждения.

Металлографический анализ шлифов, изготовленных из полученных образцов-свидетелей, показал отсутствие дефектов на границе сопряжения «сплав–покрытие». Толщина КДП системы NiCoCrAlY + AlNiSiВ до вакуумного отжига составляет от 73,4 до 103,6 мкм, после вакуумного отжига – от 71,1 до 102,1 мкм.

Изучение ммикрошлифов, изготовленных из образцов-свидетелей с нанесенными покрытиями по серийной технологии и с градиентным нанесением при работе смещения в постоянном и импульсном режимах после вакуумного отжига, выявил характерную структуру КДП системы NiCoCrAlY + AlNiSiВ, нанесенного по серийной технологии.

Анализ полученных данных не выявил существенных отличий при отклонениях от серийной технологии нанесения с целью выявления особенностей, влияющих на адгезионную составляющую и количество дефектов на границе сопряжения «сплав–покрытие».

Однако эксперименты подтвердили основные постулаты процесса осаждения КДП. Необходимы качественные подготовка поверхности детали перед нанесением и ионная очистка в плазме материала катода при стабильной работе инверторного источника смещения. Не следует пренебрегать продолжительностью ионной очистки: при сокращении времени обработки снижается качество изделий. Нельзя забывать о соотношениях никелевого и алюминиевого слоев, чтобы избежать сквозного аллитирования, что неблагоприятным образом может сказаться на свойствах композиции «сплав–покрытие».