Введение

В настоящее время для повышения ресурса и обеспечения работоспособности большинства деталей газотурбинных двигателей (ГТД) широко используют различные защитные покрытия. Для защиты поверхностей лопаток турбины ГТД от окисления при высоких температурах зачастую применяют газоциркуляционные покрытия. Наиболее перспективным направлением является использование лопаток со сложной внутренней системой каналов для принудительного охлаждения в процессе эксплуатации. Качество нанесения покрытия влияет на его механические, физико-химические и эксплуатационные свойства, такие как прочность, пластичность, сопротивление усталости и жаростойкость. Чтобы обеспечить необходимые свойства и долговечность системы «сплав–покрытие», важно правильно сформировать структуру покрытия в процессе его нанесения. Газоциркуляционный метод позволяет наносить защитный состав на высокоразвитую внутреннюю поверхность деталей, в том числе получаемых аддитивными методами [1–7].

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») в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ ведутся работы по созданию новых составов и технологий нанесения покрытий газоциркуляционным методом [8].

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

Обзор газоциркуляционных покрытий

Диффузионные покрытия получают в специально подобранной среде, которая при высоких температурах содержит активные атомы (ионы) насыщающего элемента. Многообразие технологий химико-термической обработки требует рационального выбора среды насыщения, подтвержденного термодинамическими расчетами.

При газоциркуляционном алитировании алюминий перемещается на поверхность подложки за счет газопереноса, например с помощью газообразного хлорида алюминия, поэтому процесс нанесения покрытия более точно можно описать как химическое осаждение из газовой фазы. При взаимной диффузии между наносимым алюминием и основным сплавом формируется металлическое покрытие, состоящее в основном из NiAl, CoAl, FeAl или TiAl в зависимости от состава базового сплава и содержащее разное количество большинства элементов, присутствующих в основном сплаве.

Процессы диффузионного насыщения являются сложными, даже если рассматривать только никель и алюминий. Это связано с термодинамической устойчивостью различных фаз в системе Ni–Al, диапазоном составов, при которых каждая фаза является устойчивой (состояние изменяется в процессе нагрева), и доминирующими процессами диффузии в слоях сплава, близких к поверхности.

В работе [9] систематизированы дефекты микроструктуры газоциркуляционного хромоалитированного покрытия, выявленные методами металлографического и рентгеноструктурного анализа. Показаны возможные причины возникновения дефектов и предложены способы их устранения. Особое внимание уделено газоциркуляционным покрытиям, качество которых зависит от исходной структуры и состава. Рассмотрены процессы формирования структуры и влияние ее характеристик на качество и долговечность покрытия.

Исследовано влияние состава лигатуры и остаточного давления воздуха в установке на эксплуатационные свойства и качество покрытий [10]. Описаны условия совместного нанесения хрома и алюминия на поверхность деталей, что позволяет заменить двухстадийный процесс осаждения элементов более экономичным одностадийным. Состав используемой лигатуры влияет на фазовый состав внешнего слоя покрытия. При соотношении хрома и алюминия в лигатуре 1:4 формируется γ'-фаза, которая обладает низкой жаростойкостью. Однако установлено, что хромоалитирование возможно при соотношении элементов 1:1, при котором во внешнем слое формируется жаростойкая β-фаза с оптимальным содержанием алюминия и хрома. Показано, что содержание хрома в исходной лигатуре влияет на толщину покрытия.

Отмечено, что остаточное давление газа в установке влияет на количество частиц Al₂O₃ в покрытии, которые являются концентраторами термических напряжений при эксплуатации охлаждаемых лопаток. Авторы анализируют влияние размера и формы частиц оксида алюминия на термические напряжения с использованием компьютерного моделирования и предлагают термодинамический расчет, подтверждающий возможность полного предотвращения образования оксида алюминия в покрытии при использовании никель-иттриевой лигатуры.

В работе [11] описаны результаты исследований структуры, фазового состава и реакционной зоны взаимодействия комплексных покрытий с монокристаллическими сплавами ЖС32-ВИ и ЖС36-ВИ. Изучено влияние комплексных защитных покрытий на свойства жаропрочных никелевых сплавов. Авторы подчеркивают необходимость применения защитных покрытий для монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, обладающих низкой жаростойкостью при высоких температурах эксплуатации. Благодаря сочетанию различных технологий, включая газоциркуляционную и ионно-плазменную, можно получить перспективные защитные покрытия для внутренних и внешних поверхностей рабочих лопаток ГТД с заданным ресурсом и требуемыми свойствами. Монокристаллические охлаждаемые турбинные лопатки имеют особое значение в обеспечении производительности и эффективности ГТД, однако в экстремальных условиях эксплуатации они подвержены значительному тепловому и механическому воздействию, что может привести к повреждению и сокращению их срока службы. Рассмотрены различные аспекты разработки комплексных защитных покрытий для монокристаллических охлаждаемых турбинных лопаток. Получено комплексное покрытие с хромоалюминиевым подслоем, нанесенным газоциркуляционным методом, которое повышает длительную прочность сплава ЖС36-ВИ до 30 %. Однако под покрытием образуется измененная зона, состоящая из игольчатой фазы, также известной как топологически плотноупакованная фаза, что приводит к резкому снижению длительной прочности после высокотемпературной выдержки.

Описаны модифицированные диффузионные покрытия на никелевых жаропрочных сплавах, полученные газоциркуляционным методом [12]. Автор работы проводит сравнительный анализ покрытий, нанесенных газоциркуляционным и порошковым методами. Приведены результаты исследования термостойкости, длительной прочности и механических свойств покрытий. Актуальной задачей данного исследования является повышение уровня физико-механических свойств поверхностей никелевых жаропрочных сплавов путем модифицирования диффузионных покрытий. Рассмотрены основные технологии получения покрытий – двухстадийное порошковое и циркуляционное хромоалитирование. При изучении структуры покрытий, полученных методом циркуляционного алитирования, обнаружены темные включения, представляющие собой мелкодисперсные частицы оксида алюминия. На основе проведенных исследований автор делает вывод, что циркуляционное хромоалитирование является эффективным методом получения диффузионных покрытий на никелевых жаропрочных сплавах. Термостойкость покрытий, нанесенных газоциркуляционным и порошковым методами, составляет 530 и 415 циклов соответственно.

В патенте [13] предложен способ диффузионного хромоалитирования поверхности детали из металлов или сплавов. Автор сравнивает разработанный способ и метод одновременного насыщения детали несколькими диффундирующими элементами в циркулирующей галогенидной среде, которая образуется при контакте исходной газовой среды с источниками диффундирующих элементов. В качестве источников диффундирующих элементов обычно используют алюминий, хром и кремний. Однако полученное при одновременном насыщении детали покрытие содержит повышенное количество алюминия и недостаточно насыщено хромом, что снижает его ресурс. Преимуществом способа, реализуемого в патенте, является использование сплавов алюминия (FeAl, NiAl) в качестве навески для газоциркуляционного процесса, что позволяет достаточно эффективно контролировать активность алюминия и влияет на содержание хрома в покрытии. Предложенный способ позволяет реализовать одностадийный процесс диффузионного хромоалитирования, а также улучшить качество и эксплуатационные характеристики наносимого покрытия.

Разработан способ нанесения покрытия газоциркуляционным методом в специальных контейнерах, разделенных на зоны предварительного нагрева и осаждения [14]. Для получения хромоалитированного покрытия на поверхности подложки используют различные процессы осаждения. Слой хрома осаждается при термическом разложении гексакарбонила хрома, а слой алюминия получают путем термического разложения триметилалюминия. Для окончательного формирования покрытия проводится вакуумный отжиг при температуре 1050 °С. Изобретение позволяет улучшить качество покрытия и параметры эксплуатации ГТД.

В работе [15] рассмотрены способы нанесения диффузионных покрытий. При получении покрытия методом химического осаждения из газовой фазы происходят диссоциация и взаимодействие газовых реагентов в стимулирующей среде. Химическое осаждение включает гомогенные реакции, происходящие в газовой фазе, и гетерогенные реакции, протекающие на нагретой поверхности и приводящие к образованию пленок. При насыщении порошковым способом летучие газообразные реагенты синтезируются внутри порошка, в отличие от обычных путей образования пара при реализации газоциркуляционных методов. Материалы для нанесения обычно представляют собой порошковую смесь из чистого металла или сплава (например, Al, FeAl, Cr, Si в зависимости от вида покрытия), активатора в виде соли галогеноводородных кислот (например, NaCl, NaF, NH₄C1) и инертного наполнителя (например, Al₂O₃). Оба метода имеют особенности, преимущества и ограничения. Выбор метода зависит от назначения покрытия и требований к нему. Важно учитывать такие факторы, как стоимость, сложность процесса, требования к покрытию, а также экологические и экономические аспекты. Автор подчеркивает, что газоциркуляционный метод является более эффективным способом нанесения диффузионных покрытий, равномерных по толщине, на сложные поверхности.

Несмотря на все преимущества, газоциркуляционный метод имеет существенный недостаток, поскольку не позволяет наносить покрытия на определенные поверхности деталей, не затронув участки, на которые нанесения покрытия не требуется (например, на замок рабочих лопаток турбины).

В изобретении [16] показан способ защиты участков поверхности детали перед нанесением покрытия. На определенные участки поверхности наносится защитный состав, который затем подвергается сушке. В качестве защитного состава используется паста, содержащая смесь порошков из активного и инертного компонентов, а также связующего вещества. Активный компонент (никель, железо, кобальт или сплавы на их основе) содержится в количестве до 80 % от общей массы смеси порошков, инертный компонент (оксид алюминия или смесь оксидов алюминия и магния) – от 20 до 95 %. В качестве связующего вещества используют состав, содержащий коллоксилин, амилацетат и диэтилоксалат. Такой подход значительно повышает эффективность защиты участков поверхности деталей перед нанесением покрытия. В частности, замки лопаток ГТД после нанесения покрытия остаются светлыми, поверхностный слой металла не изменяется.

В патенте [17] рассмотрен способ защиты поверхности турбинной лопатки от окисления при термической обработке, заключающийся в погружении детали или ее части в керамический порошок на основе огнеупорных оксидов с температурой плавления 1400–2800 °C и дисперсностью 0,01–17 мкм. Данный способ можно использовать не только для процессов горячего изостатического прессования, но и газоциркуляционных, чтобы предотвратить образование покрытия на отдельных участках поверхности.

В изобретении [18] рассмотрены способы оптимизации смесей, используемых для диффузионных методов нанесения покрытий. Предложена маскирующая смесь, которая формируется из порошков инертных компонентов, NiAl и связующего. Маскирующую смесь используют для защиты определенных поверхностей деталей от насыщения при диффузионных процессах. Авторами подобраны составы маскирующих смесей для разных сплавов. Показано, что защитный состав в процессе нанесения покрытия не должен взаимодействовать с поверхностью детали и газовой средой. После нанесения маскирующая смесь должна легко удаляться и не повреждать поверхность.

Заключения

Анализ рассмотренных источников научно-технической литературы показал, что основным методом нанесения диффузионных покрытий на внутреннюю полость турбинной лопатки является газоциркуляционный. Он обеспечивает равномерность наносимого покрытия по всей поверхности детали, однако имеет ряд недостатков, которые в настоящее время решаются с помощью технологических приемов.

Рассмотрены основные способы реализации газоциркуляционных процессов нанесения диффузионных покрытий. Показано превосходство покрытий, полученных данным способом, перед покрытиями, нанесенными порошковыми методами.

В настоящее время газоциркуляционные процессы нанесения покрытий на сложные внутренние полости деталей не имеют аналогов, однако существует проблема защиты отдельных участков поверхностей деталей, которая требует дальнейшего изучения.