Введение

Развитие авиационной техники, ее применение в условиях морского базирования и эксплуатации на грунтовых аэродромах обозначило необходимость коррозионной и эрозионной защиты стальных и титановых лопаток компрессора ГТД [1]. Для решения этой проблемы в ВИАМ начаты работы по созданию ионно-плазменных эрозионно- и коррозионностойких покрытий, так как эксплуатация ответственных деталей ГТД без специальных покрытий ограничивала ресурс их работы, требовала замены лопаток при ремонте двигателей [2, 3]. Проблемы низких эрозионной и коррозионной стойкости лопаток компрессора ГТД из сталей и титановых сплавов выявили необходимость разработки принципиально новых защитных и упрочняющих покрытий и технологий их получения, обеспечивающих надежную работу лопаток в различных условиях их эксплуатации и не оказывающих заметного влияния на их прочностные характеристики.

В ВИАМ разработаны коррозионностойкое ионно-плазменное покрытие СДП-1+ВСДП-20, предназначенное для защиты стальных лопаток и других деталей компрессора от солевой коррозии при температуре до 600°С, а также упрочняющие покрытия на основе карбида хрома (Cr₃C₂) и нитрида циркония (ZrN), обеспечивающие работу соответственно стальных и титановых лопаток компрессора при пылевой эрозии в общеклиматических условиях эксплуатации [4].

В связи с созданием ГТД пятого поколения для обеспечения ресурса лопаток и других деталей компрессора актуальными являются повышение свойств упрочняющих эрозионностойких покрытий, а также создание нового класса эрозионно-коррозионностойких покрытий, многократно повышающих эрозионную стойкость защищаемой основы, работоспособных во всеклиматических условиях.

Большое внимание для повышения свойств защищаемой основы следует уделить подготовке поверхности подложки перед нанесением покрытий [5, 6]. Одним из процессов, повышающих коррозионную стойкость защищаемого материала, является ионное модифицирование поверхности [7], которое является новым направлением в вакуумно-плазменной технологии высоких энергий (ВПТВЭ), разработанной в ВИАМ. Сущность процесса ионного модифицирования заключается в насыщении поверхностного слоя бомбардируемой подложки (на глубину до 30–40 мкм) ионами металлов (например, алюминием или титаном) или сплавов, создавая тем самым на поверхности модифицированный слой, насыщенный легирующими элементами, которой позволяет повысить коррозионную стойкость обрабатываемой основы [8]. Модифицированию можно подвергать  как саму подложку, так и верхние слои конденсированного покрытия с целью увеличения плотности приповерхностных слоев.

Другим методом, в настоящее время активно исследуемым в ВИАМ и позволяющим улучшить свойства как существующих, так и вновь создаваемых ионно-плазменных покрытий нового класса (2D-нанослойные, 3D-наноструктурные), является технология ионно-плазменного ассистированного осаждения. Данная технология реализована на ионно-плазменной установке МАП-3, разработанной в ВИАМ (рис. 1).

 Рис. 1. Внешний вид ионно-плазменной установки МАП-3

Отличительной особенностью данной установки является наличие ионного ускорителя, позволяющего проводить бомбардировку поверхности растущего конденсата напыляемого покрытия ионами инертных и реактивных газов (например, аргона, азота, кислорода) с энергией ионов до 40 кэВ, обеспечивая тем самым периодическое ассистированное осаждение покрытия.

Известен способ ионной имплантации, позволяющий подобным ускорителем ионов изменять поверхностные слои конструкционных сталей или титановых сплавов, обеспечивая их сопротивление усталостному разрушению [9]. Периодическое ассистированное осаждение ионно-плазменных покрытий позволяет изменять структурно-фазовое состояние растущего конденсата покрытия, улучшая его свойства [10]. В данной работе приведены результаты по влиянию ассистированного осаждения на свойства серийных и новых комбинированных и нанослойных покрытий.

Материалы и методы

На ионно-плазменной установке МАП-3 на образцы ø20 мм, толщиной 2,5 мм из титановых сплавов ОТ4 и ВТ1-0 и стали ЭП866 нанесены следующие покрытия: серийное ZrN, нанослойные TiC/CrC, TiN/CrN на основе чередующихся слоев из нитридов (карбидов) титана и хрома. Нанесение нанослойных покрытий проводилось при последовательном вакуумно-дуговом испарении составного катода из титана и хрома в атмосфере ацетилена и/или азота. В процессе нанесения покрытия контролировались такие параметры, как ток дуги (I, A), напряжение смещения на подложке (U, В), давление реакционного газа. Значения электрических параметров процесса напыления подбирались таким образом, чтобы не допустить перегрева подложки. Температура подложки контролировалась косвенно, при помощи термопары, находящейся при том же потенциале смещения, что и подложка. Покрытия наносились как с ассистированным осаждением ионами аргона, так и без осаждения. После нанесения покрытия на образцах-свидетелях проводили металлографические исследования, а также измеряли микротвердость покрытий. Металлографические исследования покрытий проводились на растровом электронном микроскопе JSM-6490LV с энергодисперсионным анализатором INCA-450 при увеличениях ×2000–50000, а также на оптическом микроскопе фирмы Olimpus с цифровой системой обработки изображения при увеличениях до ×1000. Микротвердость (Н_μ) покрытия исследовали на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 50 г.

Проведены испытания образцов с покрытиями на эрозионную стойкость для оценки защитных свойств разрабатываемых покрытий.

Оценка эрозионной стойкости ионно-плазменных покрытий осуществляется методом сравнительных испытаний на лабораторном стенде согласно ММ1.595-2-352–2008, разработанной в ВИАМ. Испытания проводили при лобовом (70град) и касательном (20 град) угле атаки потоком абразивных частиц. В качестве эрозионной среды использовали речной кварцевый песок со средним (~300–350 мкм) и максимальным (700 мкм) размером частиц. Расчет эрозионного уноса проводили гравиметрическим методом путем взвешивания исходного образца и образца с покрытием после каждого цикла испытаний (эрозионная стойкость образца без покрытия принималась за единицу). Внешний вид стенда для проведения испытаний на относительную эрозионную стойкость показан на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид стенда для испытаний на эрозионную стойкость:

1 – регулировочный винт; 2 – засыпаемый образив, 3 – безрасходное сопло; 4 – образец; 5 – выходной бункер; 6 – держатель образца; 7 – камера установки; 8 – засыпной бункер

Исследованы напряженное состояние покрытий, а также их фазовый состав. Металлофизические исследования (рентгенофазовый анализ (РФА) и определение остаточных напряжений (ОН) в покрытиях) проводили на дифрактометре D/MAX–2500 фирмы Rigaku с монохроматическим Cu K_α-излучением.

Результаты

Результаты испытаний на эрозионную стойкость образцов из титанового сплава ОТ4 с покрытием на основе нитрида циркония, нанесенного путем ассистированного осаждения ионами аргона, и без покрытия приведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты испытаний на эрозионную стойкость покрытия

на основе нитрида циркония, нанесенного на образцы из сплава ОТ4

⃰АО – ассистированное осаждение ионами аргона.

Результаты испытаний на эрозионную стойкость образцов из титанового сплава ОТ4 с покрытием на основе нитрида циркония показывают, что ассистированное осаждение ионами аргона увеличивают эрозионную стойкость системы «подложка–покрытие» на 12–40%.

Проведены испытания на эрозионную стойкость нанослойных покрытий TiC/CrC и TiN/CrN, нанесенных на образцы из стали ЭП866 и титанового сплава ВТ1-0 с ассистированным осаждением ионами аргона и без осаждения. Подробнее результаты исследования нанослойных покрытий изложены в работах [11, 12]. Испытания проводились при одинаковой толщине получаемых нанослоев. Результаты проведенных испытаний приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты испытаний на эрозионную стойкость нанослойных покрытий, нанесенных

на образцы из титанового сплава ВТ1-0 и стали ЭП866

*АО – ассистированное осаждение ионами аргона.

** Микротвердость покрытия, нанесенного на титановый сплав ВТ1-0,  – в  числителе; на сталь ЭП866 – в знаменателе.

Результаты испытаний на эрозионную стойкость покрытий TiC/CrC и TiN/CrN показывают, что ассистированное осаждение повышает эрозионную стойкость нанослойного покрытия TiC/CrC в 7–12 раз. Установлено также положительное влияние на эрозионную стойкость предварительной обработки поверхности виброгалтовкой перед нанесением покрытия. Микроструктура нанослойных покрытий TiC/CrC и TiN/CrN приведена на рис. 3.

Рис. 3. Микроструктура нанослойных покрытий TiC/CrC (а) и TiN/CrN (б)

Проведены исследования фазового состава нанослойнных покрытий TiC/CrC и TiN/CrN и определен уровень остаточных напряжений в них. Результаты металлофизических исследований приведены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты исследований фазового состава покрытий на образцах

из титанового сплава ВТ1-0

*АО – ассистированное осаждение ионами аргона.

**Погрешность при определении напряжений сопоставима с определяемой величиной.

Результаты исследований фазового состава покрытия TiC/CrC показывают, что ассистированное осаждение ионами аргона изменяет фазовый состав (в фазе CrC – Cr₃C_2. меняется на Cr₇C₃) и снижает уровень остаточных напряжений. Более подробно металлофизические исследования нанослойных покрытий изложены в работах [13, 14]. В работах [15, 16] проведены исследования на эрозионную и коррозионную стойкость различных эрозионностойких и коррозионностойких комбинированных нанослойных покрытий, полученных с помощью ассистированного осаждения. Влияние ассистированного осаждения различными газами (помимо аргона) на жаростойкость и коррозионную стойкость ионно-плазменных покрытий [17] требует дальнейшего всестороннего исследования.

Обсуждение и заключения

Проведены исследования влияния ассистированного осаждения на ионно-плазменные покрытия ZrN, TiC/CrC, TiN/CrN. Установлено, что ассистированное осаждение ионами аргона увеличивает эрозионную стойкость ионно-плазменных монослойных, и в большей мере нанослойных покрытий. Установлено также влияние ассистированного осаждения на фазовый состав и уровень остаточных напряжений в нанослойных покрытиях. Вопрос влияния ассистированного осаждения на коррозионную стойкость, жаростойкость ионно-плазменных покрытий требует дальнейшего изучения.