Введение

Высокий спрос на эффективную энергетику в разных отраслях промышленности вызван ростом мировой экономики и населения. Одной из важных областей является авиационное газотурбостроение, а именно современная и экономичная эксплуатация газотурбинных двигателей (ГТД) для самолетов и вертолетов [1, 2]. Увеличить ресурс ГТД можно за счет нескольких составляющих, в том числе повышения стойкости деталей горячего тракта, особенно компрессора, к действию факторов окружающей среды, таких как пылевоздушная и солевая коррозия. Рабочие лопатки компрессора обычно изготавливают из сталей и титановых сплавов. Результатом эрозионного воздействия пылевоздушного потока на лопатки компрессора является главным образом изнашивание кромок и верхней части пера со стороны корыта, что может привести к снижению производительности компрессора или поломке двигателя.

На стальные и титановые лопатки компрессора ГТД при эксплуатации в условиях морского, влажного и тропического климата коррозионное воздействие оказывают ионы хлора, которые содержатся во влажном воздухе и отложениях NaCl, образующихся при полетах или посадках летательного аппарата непосредственно вблизи морской поверхности (посадка на палубу авианосца, противолодочного корабля или приводнение гидросамолета) [3]. Коррозионное повреждение сталей и титановых сплавов характеризуется образованием на поверхности лопаток компрессора оксидов, появлением питтингов и каверн, что может привести к возникновению усталостных трещин и даже разрушению лопаток.

Титановые сплавы, имеющие преимущество перед сталями по плотности, менее подвержены коррозии, что является причиной их активного использования [4]. Однако у данного материала есть и недостатки – ресурс лопаток из титановых сплавов значительно снижается из-за возникновения усталостных трещин в процессе эксплуатации. Вместе с тем стальные лопатки имеют бóльшую плотность, менее чувствительны к усталостным трещинам и более устойчивы к воздействию пылевой эрозии, но нуждаются в защите от коррозии при повышенных температурах [5, 6].

Помимо рабочих лопаток применяются более крупные детали компрессора, а именно: рабочие моноколеса (блиск, импеллер), статорные кольца (или полукольца) – блинги. Для защиты лопаток и других деталей компрессора ГТД от воздействия негативных факторов применяют различные эрозионностойкие и коррозионностойкие защитные покрытия. Существуют разные методы нанесения защитных покрытий, применяемых для деталей компрессора, среди которых можно выделить детонационные [7], газопламенные [8], ионно-плазменные вакуумно-дуговые и магнетронные [9, 10]. К основным используемым системам покрытий относятся эрозионностойкие (ZrN, TiN, CrC), коррозионностойкие (на основе (Ti,Cr)N, MeCrAlY, где Me: Ni, Fe или Co) и эрозионно-коррозионностойкие (типа Ti/TiN, TiN/CrN, TiCrAlY + TiN).

Данная работа представляет собой обзор, посвященный основным видам покрытий для защиты деталей компрессора ГТД от эрозии и коррозии, особенностям используемого оборудования и составов покрытий, а также тенденциям и направлениям исследований в области их применения. Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Методы нанесения эрозионностойких

и коррозионностойких защитных покрытий

В табл. 1 приведены преимущества и недостатки различных методов нанесения покрытий на детали горячего тракта ГТД, в том числе компрессора.

Таблица 1

Методы нанесения эрозионностойких и коррозионностойких защитных покрытий

По совокупности особенностей технологического процесса, таких как высокая воспроизводимость, экологичность, широкий диапазон регулирования технологических параметров, включая скорость осаждения и температуру подложки, возможность нанесения на детали сложной формы, выделяют ионно-плазменное вакуумно-дуговое осаждение как наиболее часто используемый для деталей ГТД метод.

Эрозионностойкие покрытия

Для защиты от эрозионного воздействия применяются твердые покрытия на основе нитридов или карбидов металлов. В табл. 2 приведены часто используемые эрозионностойкие ионно-плазменные покрытия, характеристики которых обобщены на основе анализа данных из открытых источников.

Таблица 2

Основные эрозионностойкие ионно-плазменные покрытия

Монослойные покрытия, такие как карбид хрома, нитрид титана и нитрид циркония, имеют высокую эрозионную стойкость (увеличивая стойкость защищаемого сплава в 5–10 раз) при эксплуатации в общеклиматических условиях. Особый интерес представляют покрытия типа TiN/Ti и (TiAl)N/TiN. За счет слоистой структуры, в том числе нанослойной, покрытия являются более универсальным при нанесении на различные подложки (никель, титан, сталь). На рис. 1 приведена стандартная структура биметаллического керметного многослойного покрытия типа (TiAl)N/TiN [18], на рис. 2 – микроструктура покрытия TiN/Ti (ER-7) (фирма MDS-Prad, Канада) [20].

За счет подбора толщины слоев покрытия можно уменьшить остаточные напряжения и улучшить выносливость системы «основа–покрытие».

В работе [19] описано ионно-плазменное покрытие V + (Ti–V)N + (Ti–V)/(Ti–V)N толщиной 15–16 мкм, наносимое на титановый сплав ВТ3-1. Достигнуто повышение эрозионной стойкости в 3 раза по сравнению с основой без покрытия. Испытания на эрозионную стойкость проводили в диапазоне углов атаки пылевоздушного потока от 15 до 60 градусов с использованием фракций кварцевого песка размером от 180 до 400 мкм. Показано, что выбор эрозионностойких покрытий зависит от конкретных условий эксплуатации. Например, наличие пылезащитного устройства снижает требования к толщине и микротвердости покрытия.

Коррозионностойкие покрытия

Для повышения коррозионной стойкости материалов, в особенности сталей, применяются различные металлические покрытия. В табл. 3 приведены наиболее часто используемые коррозионностойкие ионно-плазменные покрытия.

Таблица 3

Основные коррозионностойкие ионно-плазменные покрытия

В настоящее время в научно-технической литературе в качестве коррозионностойких ионно-плазменных покрытий представлены покрытия на основе нитридов титана, легированных высоким содержанием хрома. Кроме того, исследована возможность использования для этих целей слоистого покрытия TiN/Ti [15]. Промышленное применение для защиты от коррозии лопаток компрессора ГТД и газотурбинных установок получили покрытия CoCrAlY и NiCoCrAlY + AlCoSiY, изготовленные одностадийным и двухстадийным методом ионно-плазменного осаждения соответственно.

Эрозионно-коррозионностойкие покрытия

При эксплуатации летательных аппаратов в различных климатических условиях для защиты стальных и титановых деталей компрессора ГТД применяют эрозионно-коррозионностойкие покрытия. В табл. 4 приведены некоторые варианты эрозионно-коррозионностойких ионно-плазменных покрытий.

Таблица 4

Варианты эрозионно-коррозионностойких ионно-плазменных покрытий

В работах [14, 24] описано покрытие TiN/CrN, которое многократно (от 6 до 15 раз) повышает эрозионную стойкость сталей и титановых сплавов, а также коррозионную стойкость сталей при эксплуатации во всеклиматических условиях. Данное покрытие можно использовать для увеличения эрозионной и коррозионной стойкости лопаток компрессора ГТД при температуре эксплуатации до 650–700 °С.

В работе [17] приведено нанослойное покрытие системы TiAlCrN/CrN, отличающееся наличием сложного нитрида титана с высоким содержанием алюминия и хрома. За счет такого состава рабочая температура покрытия достигает 800 °С, при этом эрозионная стойкость сталей и сплавов увеличивается в 2 раза при угле атаки пылевоздушного потока 70 градусов. На рис. 3 приведены микроструктуры покрытий TiN/CrN и TiAlCrN/CrN.

Рис. 3. Микроструктуры покрытий TiN/CrN (а) и TiAlCrN/CrN(б)

Разработано эрозионно-коррозионностойкое покрытие для защиты титановых сплавов [26]. Помимо многократного повышения эрозионной стойкости достигнуто повышение коррозионной стойкости в условиях горячесолевой коррозии при температуре до 500 °С. Покрытие наносится за один технологический цикл и может применяться для защиты деталей сложной формы типа «моноколесо импеллера» (центробежный компрессор).

Особенности нанесения эрозионностойких и коррозионностойких

ионно-плазменных покрытий на крупногабаритные детали

 компрессора газотурбинного двигателя

Для нанесения эрозионностойких и коррозионностойких покрытий используются многокатодные установки, которые за счет большого количества испарителей обеспечивают высокую скорость осаждения на крупногабаритную деталь в большом объеме камеры. На рис. 4 приведена принципиальная схема установки роторного типа для нанесения ионно-плазменных покрытий [27]. За счет использования большого количества протяженных испарителей достигается высокая производительность процесса и равномерное осаждение покрытия на крупногабаритную деталь.

Рис. 4. Принципиальная схема установки роторного типа для нанесения ионно-плазменных
покрытий: 1 – катодный испаритель; 2 – шток крепления деталей; 3 – ротор привода деталей;
4 – анод; 5 – катод; 6 – катодный экран; 7 – механизм поджига

Для деталей более сложной формы типа «импеллер» используется специальная оснастка с многовариантным вращением в разных плоскостях [28] либо механизм поворота испарителей [26]. На рис. 5 приведена схема оснастки с вращением детали в разных плоскостях.

Рис. 5. Схема оснастки с вращением детали в разных плоскостях [28]: 1 – деталь; 2 – вращающая ось крепления детали; 3 – верхний шток крепления механизма наклона детали; 4 – вращающийся шток привода; 5 – нижний шток крепления механизма наклона детали; 6, 7 – верхний и нижний поворотный кулачок привода; 8 – катодный испаритель; 9 – поток плазмы

Существенными недостатками такой конструкции являются сложность и дороговизна ее изготовления, учитывая, что оснастка в ионно-плазменных установках является расходуемой деталью.

Заключения

Установлено, что в качестве эрозионностойких, коррозионностойких и эрозионно-коррозионностойких высокотемпературных покрытий для деталей компрессора газотурбинных двигателей используются ионно-плазменные монослойные и многослойные системы на основе жаропрочных сплавов, нитридов и карбидов металлов, в том числе TiAlN, TiAlCrN, Ti/TiN и др.

Основными технологиями получения систем эрозионно-коррозионностойких, эрозионностойких и коррозионностойких покрытий для защиты деталей компрессора ГТД в зарубежной и отечественной промышленности являются PVD-процессы. В области развития данного направления выявлены следующие тенденции:

– совершенствование технологии нанесения покрытий применительно к крупногабаритным деталям ГТД (блиски, импеллеры, блинги) за счет усовершенствования планетарных приводов деталей и использования нескольких испарителей с разных сторон;

– повышение эрозионной и коррозионной стойкости покрытия за счет использования усовершенствованного состава (сложные нитриды с добавлением металлов (Al, Cr, V)), ассистированного осаждения (ионами аргона, азота) и слоистой конструкции с чередующимися твердым эрозионностойким и мягким коррозионностойким подслоями;

– улучшение адгезии покрытия и снижение уровня остаточных напряжений в покрытии за счет применения нанослоев с различной твердостью, а также сочетания внутри одного покрытия слоев как металлов и сплавов, так и их нитридов различной толщины.