Жаростойкие эмалевые покрытия для защиты деталей горячего тракта газотурбинных двигателей из жаропрочных никелевых, высокохромистых и железоникелевых сплавов занимают особое место в обеспечении работоспособности, ресурса и надежности изделий авиационной техники. Покрытия регламентируют окисление поверхности металлов и являются барьером на пути компонентов агрессивной газовой среды и продуктов сгорания топлива. Высокотемпературные защитно-технологические, ресурсные покрытия находят  широкое применение  в промышленности для защиты от окисления и обезуглероживания узлов и деталей из металлов и сплавов при термомеханических обработках, от высокотемпературной газовой коррозии – при ресурсных применениях, что обеспечит ресурс и надежность изделий авиационно-космической техники в 1,5–2 раза [1–3].

Дальнейшее развитие работ по жаростойким эмалевым покрытиям определяется повышением уровня рабочих параметров жаропрочных сплавов и обеспечением работоспособности двигателей современных и перспективных авиационных ГТД [4–6]. Основные направления базовой технологии получения составов тугоплавких жаростойких эмалевых покрытий для коррозионностойких сталей и жаропрочных сплавов  основаны на принципах синтеза поликристаллических стекломатериалов с использованием модифицирующих оксидов, тугоплавких соединений и эффекта реакционного отверждения [7, 8].

В настоящее время для защиты деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов от высокотемпературной газовой коррозии при температурах до 1000°С серийно применяются эмалевые (стеклокристаллические, реакционноотверждаемые) покрытия на основе тугоплавких стеклофритт.

С целью экономии дорогостоящих и дефицитных компонентов жаропрочных сплавов на никелевой основе для литья фасонных деталей газотурбинных двигателей применяются жаропрочные литейные свариваемые сплавы на железоникелевой основе типа ВЖЛ-19, которые, обеспечивая необходимый уровень прочностных характеристик, обладают недостаточной стойкостью к высокотемпературной газовой коррозии, что приводит не только к безвозвратным потерям металла, но также к снижению механических характеристик сплавов. Сплавы обладают достаточно высоким уровнем жаропрочности при температурах от 700 до 900°С и являются конкурентоспособными сплавам на никелевой основе, однако их склонность к активному окислению требует применения защитных покрытий [9, 10].

Отличительной особенностью стеклоэмалевого покрытия для сплава типа ВЖЛ-19 является его многоцелевое назначение, а именно, способность сохранять высокие защитные характеристики как в процессе многостадийной термообработки (закалка при 1120°С в течение 3 ч; старение при 750°С, 15 ч), так и длительной эксплуатации при температурах от 700 до 900°С. Кроме того, учитывая, что фасонные литые детали, как правило, разнотолщинные, сложной конфигурации, одним из требований, предъявляемым к покрытию для данного вида сплавов, являются сравнительно низкая температура формирования, не превышающая 1120°С, и  широкий температурный интервал размягчения [11].

Относительно низкая температура формирования покрытия, при которой происходит его оплавление и образование защитной пленки, определяется процессами, происходящими при окислении сплава при нагревах, что напрямую связано с прочностью сцепления покрытия и сплава [12–14]. Прочность сцепления покрытий зависит от окисляемости сплава, состава и свойств образующейся окалины и особенности взаимодействия ее с покрытием. В процессе нагрева сплава ВЖЛ-19 при температурах от 700 до 900°С образуется рыхлый слой окалины, фазовый состав которой представляет совокупность оксида железа и легирующих элементов: (FeNi)O, (CrFe)₂O₃ и др. Окисляемость сплава ускоряется в связи с возможностью образования трехоксида молибдена (MoO₃) и его взаимодействием с компонентами сплава.

В процессе создания покрытия для сплавов типа ВЖЛ-19 исследовалась возможность обеспечения высоких защитных характеристик покрытия путем сочетания процессов катализированной кристаллизации, введения жаростойкого наполнителя и взаимодействия фритт различной тугоплавкости. Возможность получения таких покрытий заложена в физико-химической природе стеклообразного состояния покрытий, в котором процессы плавления и затвердевания происходят постепенно в широком температурном интервале [15, 16]. Разработка многоцелевого покрытия проводилась на основе композиций фритт систем: SiO₂–Al₂O₃–BaO, SiO₂–Al₂O₃–B₂O₃ с различной температурой размягчения – от 600 до 700°С, а также помольных добавок, что позволяет  обеспечить высокие защитные свойства в широком температурно-временно́м интервале. Механизм формирования и защитного действия многоцелевого покрытия определяется его составом. Наиболее активно процессы химического взаимодействия протекают в покрытиях на стадии длительной термообработки железоникелевых сплавов при температуре 1120°С. При этой температуре формируется сплошное покрытие, находящееся в вязкотекучем состоянии. Формирование покрытия обеспечивается плавлением легкоплавкой фритты системы SiO₂–Al₂O₃–B₂O₃. Высокие защитные характеристики многоцелевого покрытия на стадии термообработки при температурах от 1100 до 1120°С и последующей эксплуатации при температурах от 700 до 750°С обусловлены следующими факторами:

– активным взаимодействием легкоплавкой фритты SiO₂–Al₂O₃–B₂O₃ с тугоплавкой фриттой SiO₂–Al₂O₃–BaO, которое приводит к усреднению распределения тугоплавких фаз в структуре покрытия, удалению пор, гомогенизации покрытия;

– высокосплошной микрогетерогенной структурой, основу которой составляют стеклообразная аморфная матрица с равномерно распределенными в ней частицами оксида хрома, а также силикатов алюминия и бария. Следует отметить, что фазовая стабильность многоцелевого покрытия сохраняется постоянной как в процессе длительной термообработки, так и при эксплуатации (табл. 1).

Таблица 1

Результаты рентгенофазового анализа покрытия

Очевидно, что микрогетерогенность покрытия обусловлена присутствием в его составе кристаллических фаз, а также наличием частиц тугоплавкой фритты SiO₂–Al₂O₃–BaO в стеклообразной аморфной матрице. Наличие частиц тугоплавкой фритты позволяет  предположить, что временно́й интервал сохранения защитных функций имеет две стадии. Первая стадия обусловлена взаимодействием двух фритт, причем при полном усреднении состава стеклообразной аморфной матрицы ее защитные функции достигают своего пика и стабилизируются. Далее наступает вторая стадия, когда защитные свойства покрытия определяются в полной мере процессами кристаллизации и агрегации кристаллических фаз [17].

Эффективность защитного действия многоцелевого эмалевого покрытия подтверждена данными по изучению кинетики окисления сплава, а также металлографическими исследованиями. Установлено, что окисляемость сплавов с покрытием при температурах испытания 1120 и 700°С снижается в 25–30 раз (рис. 1). Применение покрытия полностью исключает окисление и обезлегирование сплава, в то время как глубина обедненного легирующими элементами слоя сплава без защиты составляет 120 мкм (рис. 2). Кроме того, эффективность применения покрытия подтверждена испытаниями механических свойств сплава: ударная вязкость сплава с покрытием после термообработки составляет 70 Дж/см², в то время как у сплава без покрытия это значение:
50 Дж/см².

Рисунок 1. Кинетика окисления железоникелевого сплава при температурах 700 (а) и 1120°С (б) без покрытия (□) и с покрытием (■)

Рисунок 2. Микроструктура железоникелевого сплавабез покрытия (а) и с покрытием (б), термообработанного по режиму: 1120°С, 3 ч+700°С, 100 ч

и состаренного при 750°С в течение 16 ч

Исследованы термостойкость и жаростойкость многоцелевого эмалевого покрытия на железоникелевом сплаве. Критерий оценки термостойкости – наличие дефектов в покрытии: отслоения, уколы, сколы до металла, выгорание эмалевого покрытия и др. Получены положительные результаты при испытаниях покрытия по режиму: нагрев образцов с покрытием при температурах от 700 до 900°С в течение 5 мин с последующим охлаждением на воздухе, количество циклов: 500 при 700⇆20°С, 250 при 900⇆20°С. Жаростойкость эмалевого покрытия оценивали по изменению массы образцов при нагреве при температурах от 700 до 900°С в течение 100 ч. Результаты исследований представлены в табл. 2.

Таблица 2

Защитные характеристики многоцелевого эмалевого покрытия

*В числителе – без покрытия, в знаменателе – с покрытием.

В результате проведенных исследований разработано многоцелевое стеклоэмалевое покрытие типа ЭВК-127 для защиты от высокотемпературной газовой коррозии литых фасонных деталей из сплава на железоникелевой основе как в процессе длительной эксплуатации при температурах от 700 до 900°С, так и при термообработке по режиму: 1120°С, 3 ч+старение при 750°С в течение 16 ч. Покрытие применяется для деталей из сплавов, температура нагрева которых ограничена либо режимом термической обработки сплава, либо конструкцией детали (фасонное литье, тонкостенные, крупногабаритные изделия).

Применение многоцелевого стеклоэмалевого покрытия ЭВК-127 снижает окисляемость железоникелевых сплавов при температурах 1120 и 700°С в 25–30 раз.