Введение

В настоящее время повышение тактико-технических характеристик авиационных газотурбинных двигателей невозможно без применения новых материалов, обладающих более высокими температурными и прочностными характеристиками по сравнению с серийными жаропрочными сплавами [1, 2].

Для комплексного повышения служебных характеристик существующих конструкций ГТД, в том числе продления ресурса работы, снижения массы и повышения рабочих температур, перспективным является применение интерметаллидных сплавов на никелевой основе [3–5]. В ВИАМ разработан ряд интерметаллидных литейных никелевых сплавов серии ВИН, обладающих пониженной плотностью и удовлетворительным комплексом механических свойств при температурах до 1200°С на базах испытаний до 1000 ч [6–9]. Однако обеспечение длительных ресурсов работы деталей турбин из интерметаллидных сплавов в условиях интенсивных теплосмен не представляется возможным без применения защитных покрытий [10–14].

В ВИАМ выполнен ряд исследований, направленных на создание эффективного жаростойкого покрытия для перспективного интерметаллидного жаропрочного никелевого сплава ВИН3. По предварительным результатам испытаний на жаростойкость предложено новое покрытие СДП-42 (Ni–Cr–Al–Ta–W–Y–Hf)+ВСДП-18 (Al–Ni–Cr–Y), которое обеспечило защиту сплава при температурах до 1200°С. По характеристикам жаростойкости покрытие превосходит серийно используемые в промышленности покрытия типа СДП-2+ВСДП-16, а также обладает меньшей стоимостью по сравнению с ранее разработанными покрытиями, содержащими рений [15].

В связи с этим проведены работы по оценке влияния покрытия СДП-42+ВСДП-18 на характеристики длительной прочности сплава ВИН3 и по определению жаростойких характеристик композиции «сплав–покрытие» при температуре 1200°С.

Материалы и методы

Покрытия наносили на монокристаллические образцы из сплава ВИН3 с кристаллографической ориентацией на вакуумной ионно-плазменной установке МАП-2 с автоматизированной системой управления технологическим процессом [16].

Испытания на изотермическую жаростойкость проводили в соответствии с ГОСТ 6130 на дисковых образцах Ø25 мм и высотой 3 мм в атмосферной печи в керамических тиглях с крышками при температуре 1200°С.

Исследования на циклическую жаростойкостьпроводили на дисковых образцах Ø25 мм и высотой 3 мм. Один цикл продолжительностью 1 ч включал в себя выдержку при температуре 1200°С в течение 50 мин и охлаждение на воздухе в течение 10 мин до температуры 200°С.

Оценка изотермической и циклической жаростойкости сплава с покрытием и без него осуществлялась гравиметрическим методом – путем взвешивания образцов каждые 20–80 ч испытаний и определения удельного изменения массы образцов без учета массы окалины, осыпавшейся с их поверхности.

Характеристики длительной прочности определяли при температуре 1200°С на базах испытаний до 500 ч на установке ZST2/3-ВИЭТ в соответствии с ГОСТ 10145–81.

Микроструктуру композиций «сплав–покрытие» исследовали на оптическом микроскопе Olympus GX51.

Результаты

Результаты исследования циклической жаростойкости образцов из сплава ВИН3 с защитными покрытиями СДП-42+ВСДП-18 и СДП-2+ВСДП-16 (общей толщиной 80 мкм) при температурах 1200⇄200°С на базе испытаний 100 циклов представлены на рис. 1. Видно, что имеет место рост массы образцов с покрытием СДП-42+ВСДП-18 – до 10 г/м². Разрушения основного материала образца не происходит. Масса оксидов, сформировавшихся в поверхностном слое покрытия, превышает массу осыпавшейся окалины, что указывает на высокие защитные свойства покрытия. Образцы без покрытия и с покрытием СДП-2+ВСДП-16 демонстрируют ускоренное разрушение поверхности в условиях испытаний.

Рисунок 1. Зависимость удельного изменения массы образцов из сплава ВИН3 с покрытиями СДП-2 (80 мкм)+ВСДП-18 (60 г/мм²) (▲), СДП-42 (80 мкм)+ВСДП-18 (60 г/мм²) (■) и без покрытия (●) от продолжительности испытаний на циклическую жаростойкость при температурах 1200⇄200°С (а) и на изотермическую жаростойкость при температуре 1200°С (б)

Результаты исследования изотермической жаростойкости образцов из сплава ВИН3 с защитными покрытиями при температуре 1200°С на базе испытаний 500 ч приведены на рис. 2. Видно, что после 400–500 ч испытаний образцы с покрытием СДП-42+ВСДП-18 имеют незначительную потерю массы (на уровне 10–15 г/м²) и превосходят по жаростойкости серийное покрытие СДП-2+ВСДП-16.

Рисунок 2. Микроструктура (×300) образцов из сплава ВИН3 с покрытием СДП-42 (80 мкм)+ВСДП-18 (60 г/мм²) после испытаний на изотермическую жаростойкость при температуре 1200°С на базе 500 ч (а) и циклическую жаростойкость при температурах 1200⇄200°С на базе 100 циклов (б)

По результатам испытаний на жаростойкость видно, что сплав ВИН3 при температуре 1200°С катастрофически быстро окисляется и без защитного покрытия применяться при данной температуре не может.

Проведены металлографические исследования образцов из сплава ВИН3с защитным покрытием после испытаний на изотермическую и циклическую жаростойкость. На поле шлифа образца после циклических испытаний (см. рис. 2, б) наблюдаются значительные участки «темной» фазы, представляющие собой, по-видимому, жаростойкую β-фазу, вследствие чего можно сделать вывод, что деградации покрытия не происходит. На образце после испытаний на изотермическую жаростойкость (см. рис. 2, а) жаростойкой β-фазы значительно меньше, что связанно с большей длительностью испытаний и, как следствие, со снижением содержания алюминия в покрытии вследствие расходования его на поддержание защитной оксидной пленки на поверхности образца, а также диффузии в сплав-покрытие защищаемого материала (ВИН3). Основной фазой в покрытии после испытаний является γ′-фаза, также обладающая высокой жаростойкостью, среднее содержание алюминия в слое покрытия составляет 9–10% (по массе), что свидетельствует о том, что покрытие сохранилось и продолжает выполнять свои защитные функции на заданной базе испытаний.

Рисунок 3. результаты испытаний образцов из сплава ВИН3 с покрытием СДП-42 (80 мкм)+ВСДП-18 (60 г/мм²) (●) толщиной 89 мкм и без покрытия (○) на длительную прочность при 1200°С

Исследования длительной прочности образцов из сплава ВИН3 с защитным покрытием СДП-42+ВСДП-18 проводили при температуре 1200°С на базах испытаний 10, 100 и 500 ч. Долговечность образцов из сплава ВИН3 с покрытием при испытаниях на длительную прочность в сравнении с паспортными характеристиками сплава представлена на рис. 3.

Обсуждение и заключения

Сплав ВИН3 при температуре 1200°С не обладает необходимой жаростойкостью и без защитного покрытия применяться не может.

Конденсационно-диффузионное покрытие СДП-42 (Ni–Cr–Al–Ta–W–Y–Hf)+ВСДП-18(Al–Ni–Cr–Y) обеспечивает защиту сплава ВИН3 в условиях циклического окисления при температурах 1200⇄200°С на базе 100 циклов и изотермического – при 1200°С на базе 500 ч.

Покрытие системы СДП-42+ВСДП-18 не снижает паспортных характеристик длительной прочности сплава ВИН3 при температуре испытаний 1200°С на базах 10, 100 и 500 ч.