Введение

Одним из наиболее эффективных способов повышения ресурса деталей горячего тракта газотурбинных двигателей (ГТД) является применение теплозащитных покрытий на охлаждаемых рабочих и сопловых лопатках турбин [1–4]. Такие покрытия состоят не менее чем из двух слоев (рис. 1):

– жаростойкого металлического слоя, предназначенного для защиты основного материала лопатки от высокотемпературного окисления;

– термобарьерного керамического слоя, который снижает температуру на поверхности жаростойкого металлического слоя за счет градиента температуры при прохождении через него теплового потока от поверхности детали к каналу охлаждения лопатки.

Рис. 1. Конструкция теплозащитного покрытия [5]

Применение теплозащитных покрытий [6–12] в конструкции современных ГТД обусловлено необходимостью повышения их эффективности. Снижение температуры на поверхности жаростойкого металлического слоя обеспечивает повышение его ресурса и, как следствие, межремонтного интервала. Отдельно следует отметить, что применение теплозащитных покрытий для повышения коэффициента полезного действия двигателя за счет повышения температуры газа перед турбиной является ошибочным и опасным подходом, реализуемым конструкторами различных изделий. Керамический слой теплозащитного покрытия имеет ограниченный и слабо контролируемый ресурс, по исчерпанию которого его целостность нарушается. В результате жаростойкий металлический слой подвергается избыточно высокому термическому воздействию, что может привести к его оплавлению и дальнейшему разрушению детали ГТД. Таким образом, повышение комплексной эффективности керамического слоя термозащитного покрытия является важной задачей, решение которой состоит в снижении коэффициента теплопроводности, повышении ресурса и стойкости к скалыванию.

Электронно-лучевое нанесение

Электронно-лучевой метод нанесения покрытий впервые упоминается в работах Б.А. Мовчана и А.В. Демчишина (Институт электросварки им. Е.О. Патона, г. Киев) в 1963 г., в которых рассмотрена структурно-зонная модель физически осажденных покрытий. За рубежом первые успехи в получении электронно-лучевых покрытий зафиксированы в конце 1960-х гг. в совместных исследованиях компаний Pratt & Whitney (США) и Airco Temescal (США). Выбор электронного луча как источника энергии для испарения обусловлен возможностью управления мощностью электронно-лучевого пучка за счет применения магнитной системы, что, например, в случае использования лазера невозможно. Кроме того, габаритные размеры лазерной установки мощностью несколько десятков киловатт колоссальны и сегодня, не говоря о 1970-х гг. Учтена также более высокая проникающая способность электрона по сравнению с монохромным лазерным излучением.

Суть метода электронно-лучевого нанесения покрытий состоит в бомбардировке электронным пучком поверхности испаряемого материала, который называют штабиком или слитком. Материал слитка, испаряясь и образуя газовую фазу, осаждается на все поверхности внутри вакуумной камеры установки электронно-лучевого нанесения покрытий, в том числе на поверхности детали. Существует метод направленного электронно-лучевого нанесения покрытий. Он отличается наличием потока инертного газа, направленного в сторону детали и проходящего над испаряемым штабиком. В результате образуется направленный поток испаряемого материала. Такой метод используется для получения специфической структуры керамического слоя. Схема процесса электронно-лучевого нанесения представлена на рис. 2, структуры керамических слоев – на рис. 3.

Рис. 2. Схема процесса электронно-лучевого (а) и направленного электронно-лучевого нанесения покрытия (б) [13]. Давление инертного газа в камере стабилизации давления составляет ~1,3 кПа

Рис. 3. Структуры керамического слоя теплозащитного покрытия, полученного методом электронно-лучевого (а) и направленного электронно-лучевого нанесения (б) [14]

Структура получаемых керамических слоев столбчатая [8, 9], что положительно сказывается на термоциклической стойкости покрытия на тяжелонагруженных охлаждаемых деталях горячего тракта ротора ГТД, а именно на рабочих лопатках. Отличительной чертой электронно-лучевых керамических слоев также является наследование уровня шероховатости поверхности, подлежащей напылению.

Керамические слитки (штабики) для электронно-лучевого нанесения керамических слоев теплозащитных покрытий изготавливают методом высокотемпературного спекания предварительно сформированных из порошков моделей. Внешний вид штабиков представлен на рис. 4.

Рис. 4. Керамические слитки производства компании Saint-Gobain Coating Solutions (Канада) [15]

Магнетронное плазмохимическое распыление

В основе метода магнетронного нанесения лежит катодное распыление мишени из осаждаемого материала в особом вакуумном (близком к тлеющему) диодном разряде – магнетронном [16, 17]. В вакуумный объем рабочей камеры установки подается инертный газ (как правило, аргон) до остаточного давления 0,03–0,50 Па. Между катодом-мишенью и анодом, которым может быть как вакуумная камера, так и отдельный изолированный от нее электрод, подается напряжение в диапазоне 300–800 В. У поверхности мишени в скрещенных электрическом и магнитном полях, создаваемых магнетронной распылительной системой, начинается дрейфовое движение электронов, которые при столкновении с нейтральными атомами (молекулами) газа ионизируют их. Ионы газа стремятся на катод (мишень), распыляя его. Электроны дрейфуют в сторону анода, а распыляемые частицы осаждаются на детали, формируя покрытие. Устройство магнетронной распылительной системы показано на рис. 5.

Рис. 5. Устройство магнетронной распылительной системы [17]

За счет достаточно высокой энергии осаждаемых частиц такие покрытия обладают хорошей адгезией к подложке. Метод позволяет осаждать как чистые металлы, так и сплавы. Керамические слои теплозащитных покрытий получают, распыляя металлическую мишень и подавая в камеру реакционный газ – кислород, который в результате плазмохимического синтеза образует оксидный керамический слой на поверхности детали. Скорость осаждения покрытий зависит от мощности разряда, расстояния от подложки до испарителя и типа магнитной системы. Средняя скорость осаждения магнетронным методом составляет 1–10 мкм/ч. Для магнетронных керамических покрытий характерна ярко выраженная столбчатая структура (рис. 6), что также позволяет применять их на тяжелонагруженных охлаждаемых деталях горячего тракта ротора ГТД.

Рис. 6. Структура теплозащитного покрытия с магнетронным керамическим слоем [18]

Материал для магнетронного метода нанесения керамических слоев теплозащитного покрытия производят в виде металлических мишеней (рис. 7). Обычно мишени изготавливают из сплавов на основе циркония и иттрия – активных металлов, обладающих высоким химическим сродством к кислороду и очень чувствительных к загрязнениям. В связи с этим мишени получают методом вакуумно-дугового переплава с последующей механической обработкой.

Рис. 7. Металлическая мишень для магнетронного распыления [17]

Атмосферно-плазменное напыление

Атмосферно-плазменное напыление – разновидность газотермического напыления, при котором жидкая фаза наносимого покрытия формируется в виде малых капель-частиц за счет нагрева плазмообразующей смеси газов (аргон/азот, аргон/водород, аргон/гелий и др.) с помощью энергии дугового разряда. Полученные частицы переносятся на поверхность обрабатываемой детали потоком плазмообразующего газа при атмосферном давлении [19–22]. Эффективность и технологичность метода заключаются в том, что керамический материал подается в зону нагрева в виде порошка, а размеры и форма покрываемых изделий ограничены лишь сложностью привода плазмотрона, который обеспечивает полную обработку поверхности детали. Помимо этого, метод отличается высокими значениями скорости нанесения покрытия и коэффициента использования материала. Для альтернативных технологий нанесения керамических слоев теплозащитных покрытий (электронно-лучевой и магнетронной) коэффициент использования материала не превышает 20–30 %, скорость напыления ‒ на порядок меньше. Для двух последних способов следует учитывать необходимость поддержания высокого вакуума, что существенно ограничивает габариты обрабатываемых деталей, определяемые вместимостью вакуумной камеры. Благодаря относительной простоте изготовления и низкой стоимости применение порошкового материала для атмосферного плазменного напыления является преимуществом перед остальными методами.

Принципиальное устройство плазмотрона для плазменного напыления представлено на рис. 8.

Рис. 8. Принципиальная схема плазмотрона [23]

Проходя через зону дугового разряда между вольфрамовым катодом и вольфрамовой вставкой медного охлаждаемого анода, плазмообразующий газ нагревается, частично ионизируется 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. 9.

Рис. 9. Распределение температур в плазменной струе в зависимости от расстояния от среза сопла [23]

Порошок наносимого материала поступает в струю на срезе сопла и, расплавляясь, вместе с плазмообразующим газом направляется к подложке. За счет регулирования температуры и скорости плазменной струи достигаются оптимальные режимы напыления различных материалов в широком диапазоне варьируемых параметров (ток дуги, расход рабочего тела и др.). Для атмосферно-плазменных керамических покрытий характерна ярко выраженная пористость на уровне 10–15 % (рис. 10), что обеспечивает низкие значения коэффициента теплопроводности покрытий и высокий термобарьерный эффект. Однако такие покрытия, в отличие от керамических слоев, полученных электронно-лучевым и магнетронным методами, не обладают стойкостью к совместным термоциклическим и механическим нагрузкам. Атмосферно-плазменные покрытия применяют на деталях статора горячего тракта ГТД, например на сопловых лопатках, деталях и сборочных единицах камер сгорания.

Рис. 10. Микроструктура теплозащитного покрытия с керамическим слоем, полученным методом атмосферно-плазменного напыления [24]

Коэффициент использования материала при плазменном напылении также зависит от угла разлета частиц в плазменной струе – чем меньше угол разлета, тем большее количество частиц достигнет поверхности обрабатываемой детали. Авторами данной статьи установлена эмпирическая зависимость угла разлета от степени сферичности частиц порошка, которая определяется отношением минимального и максимального поперечного размера частицы (рис. 11). Уменьшение угла разлета возможно за счет повышения сферичности частиц порошка. Для идеально сферической частицы эта величина составляет единицу.

Рис. 11. Зависимость угла разлета частиц от сферичности порошка

В зависимости от способа производства керамических порошков для плазменного напыления получают частицы с различными размерами, формой и распределением по фракциям. От этих свойств зависит процесс плавления порошкового материала в плазменной струе. Для повышения эффективности процесса напыления важным также является распределение химического состава внутри одной частицы.

Способы изготовления керамических порошков могут быть одно- или многостадийными, однако всегда включают одну и ту же конечную стадию – рассев на необходимые фракции. Наиболее простым методом является спекание порошковой смеси в атмосферной печи при температурах >1500 °C с дальнейшим размолом. При таком способе получаемые частицы порошка приобретают осколочную форму и имеют незначительную пористость. Сферичность частиц составляет 0,7–0,8 (рис. 12).

Более сложным методом производства керамических порошков для плазменного напыления является сплавление с последующим размолом. Для этого смеси керамических материалов нагревают в высокотемпературных открытых печах до температур >2500 °C, а затем проводят кристаллизацию расплава керамики. При таком способе получаемые частицы порошка также приобретают осколочную форму, однако имеют существенно более низкую пористость, практически равную нулю. Сферичность частиц также составляет 0,7–0,8 (рис. 13).

Рис. 12. Внешний вид (а) и поперечное сечение (б) спеченного и размолотого порошка [25]

Рис. 13. Внешний вид (а) и поперечное сечение (б) сплавленного и размолотого порошка [25]

С использованием представленных методов производят порошковые материалы с частицами осколочной формы, что снижает коэффициент использования материала при напылении. Существует группа методов, обеспечивающая возможность получения частиц со сферической морфологией.

Агломерирование – процесс объединения мелких частиц в одну крупную. Наиболее распространенным методом агломерирования является распылительная сушка, которая проводится в распылительных сушилках (рис. 14).

Порошки исходных компонентов оксидных керамик смешиваются в определенной пропорции и подвергаются предварительному размолу в защитной среде, чаще всего в спиртах. После размола размер частиц суспензии не превышает 2 мкм. Для достижения необходимого уровня вязкости в суспензию добавляют водные растворы твердых спиртов, например поливинилового. После суспензия распыляется в камере сушки, в которой поддерживается температура >(100–150) °C. Частицы приобретают сферическую форму за счет силы поверхностного натяжения. Жидкая фаза испаряется, остается сферическая частица, состоящая из более мелких частиц (рис. 15).

Рис. 14. Схема распылительной сушилки [26]

Рис. 15. Внешний вид (а) и поперечное сечение (б) агломерированного порошка [25]

Сферичность получаемых частиц составляет ~(0,95–1,0). Они обладают равномерно распределенной пористостью, но достаточно низкой прочностью. Для повышения прочности частиц проводят дополнительную обработку. Одним из вариантов такой обработки является спекание – нагрев частиц, полученных методом агломерирования, в атмосферных печах до температур ~1100 °C. В результате частица приобретает высокую прочность, поры становятся крупнее, сферичность не изменяется (рис. 16). Такой комплексный метод изготовления называется агломерированием и спеканием.

Рис. 16. Внешний вид (а) и поперечное сечение (б) агломерированного и спеченного порошка [25]

Еще одним способом повышения прочности частицы является плазменная сфероидизация. Частицы порошка, полученного методом агломерирования, пропускают через поток индуктивно связанной плазмы, в результате чего происходит их полное или неполное плавление (в зависимости от режима) и дальнейшая кристаллизация в виде сферической частицы. При полном плавлении внутри частицы образуется сферическая полость за счет конгломерации мелких пор на стадии нахождения частицы в жидкой фазе. Сферичность полученных частиц составляет 0,95–1,0 (рис. 17). Такой комплексный метод изготовления называется агломерированием и плазменной сфероидизацией.

Рис. 17. Внешний вид (а) и поперечное сечение (б) агломерированного и сфероидизированного плазмой порошка [25]

Плазменную сфероидизацию также можно использовать для придания сферичности частицам осколочной формы. Однако для такого процесса необходима большая мощность потока индуктивно связанной плазмы.

Заключения

Рассмотрены основные методы и материалы для нанесения керамических слоев теплозащитных покрытий. Показано, что теплозащитные покрытия с керамическим слоем, полученным электронно-лучевым и магнетронным методами, имеют столбчатую структуру, что положительно сказывается на стойкости к совместным термоциклическим и механическим нагрузкам. Такие покрытия применяются на тяжелонагруженных деталях ротора горячего тракта ГТД – рабочих лопатках. Теплозащитные покрытия с керамическим слоем, полученным методом атмосферно-плазменного напыления, имеют пористую структуру, что обеспечивает низкий коэффициент теплопроводности. Атмосферно-плазменные покрытия применяются на деталях статора горячего тракта ГТД – сопловых лопатках, деталях и сборочных единицах камеры сгорания.

Представлены основные способы изготовления материалов, применяемых для нанесения керамических слоев теплозащитных покрытий различными методами. Для порошковых материалов показаны способы увеличения сферичности и прочности частиц, что повышает стабильность и воспроизводимость процесса плазменного напыления.

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