ВИАМ/2010-205674 Защитные покрытия для деталей горячего тракта ГТД С.А. Мубояджян доктор технических наук Октябрь 2010 Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ) – крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более, чем в 30-ти научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в 4-х филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира. В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный. За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках Международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов. Возглавляет институт лауреат Государственных премий СССР и РФ, академик РАН Е.Н. Каблов. Статья подготовлена для опубликования в журнале «Все материалы. Энциклопедический справочник», №3, 2011 г. Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public Защитные покрытия для деталей горячего тракта ГТД С.А. Мубояджян Всероссийский институт авиационных материалов Рассмотрены конденсированные, диффузионные и конденсационнодиффузионные защитные многокомпонентные и теплозащитные ионноплазменные покрытия, газоциркуляционные и термодиффузионные алюминидные покрытия для защиты внешней трактовой поверхности и поверхности внутренней полости лопаток турбин и других деталей ГТД и ГТУ, а также рассмотрены процессы ионной обработки поверхности (ионное травление и ионное насыщение поверхности в металлической плазме вакуумной дуги) и промышленное оборудование для нанесения покрытий и ионной обработки поверхности. Показаны отличительные признаки ионноплазменных покрытий, осаждаемых из металлической плазмы вакуумной дуги, и влияние энергии ионов на процессы в поверхностном слое обрабатываемого изделия. Ключевые слова: жаропрочный сплав (ЖС), безуглеродистый жаропрочный сплав (БЖС), вторичная реакционная зона (ВРЗ), газовое циркуляционное алитирование, ионно-плазменные (ИП) защитные покрытия, теплозащитные покрытия (ТЗП), ионно-плазменные диффузионные покрытия, конденсированные покрытия, конденсационно-диффузионные покрытия, реактивное магнетронное распыление, ионная обработка поверхности. Детали горячего тракта газотурбинных двигателей изготавливают из жаропрочных жаропрочность конструкционных является сплавов основным на основе критерием при никеля. выборе Именно марки жаропрочного сплава. Для достижения требуемой жаропрочности сплавы легируют тугоплавкими элементами, снижающими жаростойкость этих сплавов. Поэтому в большинстве случаев с ростом жаропрочности наблюдается снижение жаростойкости сплава, что не позволяет длительно использовать детали из жаропрочного сплава (ЖС) при высоких температурах. В процессе эксплуатации поверхность детали подвергается высокотемпературному окислению с образованием оксидной пленки, состояние которой носит динамический характер. При термоциклировании, а этому подвержены в разной мере все детали горячего тракта ГТД, наблюдается разрушение этой пленки, затем пленка вновь возобновляется при рабочей температуре, и эти циклы повторяются. Поверхностный слой детали из ЖС обедняется элементами, обладающими высокой жаростойкостью (Al, Сr) и тугоплавкими элементами, в результате чего наблюдается разупрочнение этого слоя, что приводит к снижению как жаропрочности, так и усталостной прочности сплава. Образно можно сказать, что сплав «горит», но скорость такого «горения» мала и составляет примерно несколько мкм/ч. При этом глубина зоны разупрочнения может достигать значений от десятков до ста мкм в зависимости от состава сплава и условий работы детали из него. Для рабочих лопаток турбины, работающих в экстремальных условиях и относящихся к категории наиболее ответственных деталей ГТД (высокие рабочие температуры, сложное напряженное состояние при высоком уровне растягивающих напряжений от центробежной силы), толщина входной кромки составляет ≤1,5 мм, что требуется для ее эффективного охлаждения. В этом случае лопатка теряет свою жаропрочность за 100–200 ч эксплуатации. Очевидно, что лопатки турбины и другие детали горячего тракта ГТД не могут работать без защитных покрытий, предохраняющих поверхность детали от окисления и разупрочнения. Отсюда вытекают основные требования к защитным покрытиям для деталей горячего тракта ГТД и к системе покрытие–ЖС. Жаростойкое покрытие должно предохранять поверхность жаропрочного сплава от окисления на время назначенного ресурса детали. Диффузионные процессы на границе жаростойкое покрытие–ЖС, протекающие при рабочей температуре детали, вследствие различного элементного состава покрытия и ЖС за время назначенного ресурса не должны изменять структуру и фазовый состав поверхностного слоя сплава на глубину более толщины покрытия. Запаса алюминия и хрома в покрытии должно быть достаточно, чтобы трансформация фазового состава покрытия проходила только по пути снижения основной жаростойкой фазы – NiAl (β-фаза), роста содержания менее жаростойкой фазы – Ni 3 Al (γ'-фаза) с последующим образованием γ-фазы – твердого раствора алюминия в никеле. При этом покрытие не должно снижать характеристики прочности ЖС или влияние покрытия на эти характеристики должно быть минимальным (не более 5–10%). Для жаропрочных сплавов с равноосной или направленной структурой и карбидным упрочнением (ЖС6У, ВЖЛ12У, ЖС26ВНК) при формировании жаростойкого покрытия на границе сплав–покрытие формируется переходная зона с основным фазовым составом γ'+МеС, являющаяся естественным барьером, тормозящим диффузионное взаимодействие между покрытием и сплавом. Для монокристаллических безуглеродистых жаропрочных сплавов (БЖС), легированных рением или рением и рутением, при формировании жаростойкого покрытия такая зона не образуется, что приводит к многократному росту диффузионных потоков на границе сплав–покрытие в процессе работы детали с покрытием и формированию на поверхности БЖС зоны взаимодействия большой глубины (100 мкм и более), так называемой вторичной реакционной зоны (ВРЗ). В этой зоне, вследствие нарушения элементного баланса БЖС, формируются топологически плотно упакованные пластинчатые и игольчатые фазы (ТПУ-фазы) на основе тугоплавких элементов, расположенные по направлению действия диффузионных потоков, т.е. фактически к перпендикулярно переходу границе БЖС–покрытие, монокристаллической структуры приводящие сплава в кристаллическую структуру. Эти процессы приводят к разупрочнению БЖС и не допустимы. Поэтому жаростойкое покрытие на деталях из БЖС необходимо разделять от сплава специальными барьерными слоями, предохраняющими поверхностный слой БЖС от образования ВРЗ. В номенклатуре покрытий используемых в ГТД защитные покрытия лопаток турбины занимают особое положение. Эти покрытия работают при экстремально высоких температуре и напряженном состоянии, и к ним предъявляется комплекс требований, в первую очередь требования высокой термостабильности и термостойкости в контакте с жаропрочным сплавом (ЖС) лопатки, высокого сопротивления к образованию трещин термоусталости и высокой пластичности в широком интервале температур. В современных ГТД используются охлаждаемые монокристаллические лопатки из жаропрочных безуглеродистых сплавов, работоспособные при температуре газа на входе в турбину до 2000 К и более. Такие лопатки представляют собой «ажурные» конструкции со сложной конфигурацией поверхности внутренней полости, обеспечивающей эффективное циклонновихревое или транспирационное охлаждение (ТСО) пера лопатки, имеют толщину стенки 1,2–1,5 мм и перфорационные отверстия диаметром ~0,3–1 мм, обеспечивающие внешнее пленочное охлаждение трактовой поверхности лопатки. При такой конструкции лопаток для обеспечения ее ресурса требуется защита от высокотемпературной газовой коррозии как внутренней, так и внешней трактовой поверхности лопатки. Поверхностные слои в перфорационных каналах и во внутренней полости лопатки работают в условиях динамического контакта со скоростным воздушным потоком и должны обладать защитными свойствами при рабочих температурах 1000–1050°С в условиях воздушно-окислительной среды. При таких условиях работы в качестве защитного покрытия используются алюминидные диффузионные покрытия различного легирования на основе NiAl–Ni 3 Al с относительно невысоким (не более 22–24%) содержанием алюминия. Покрытия для защиты поверхности внутренней полости формируются путем алитирования либо из смеси порошков, содержащих алюминий и галогенидный активатор, либо через газовую фазу методом газового циркуляционного алитирования [1]. Диффузионные алюминидные слои на поверхности внутренней полости лопаток формируются алитирование – по ГЦА) одностадийной или (газовое двухстадийной циркуляционное технологии (никель– хромирование+хромоалитирование). Алюминидный слой, получаемый газовым циркуляционным способом на наружных и внутренних поверхностях охлаждаемой лопатки, равномерный и однородный по составу, причем на поверхности внутренней полости наблюдается снижение толщины слоя (δ) покрытия и содержания в нем алюминия (С) до величин 0,6δ и 0,9С (по сравнению с покрытием с аналогичными параметрами на внешней трактовой поверхности лопатки) соответственно. Более высокими защитными свойствами обладают двухстадийные покрытия (ГЦП), дополнительно легированные хромом. Для сравнения в табл. 1 приводятся результаты микрорентгеноспектрального анализа состава газоциркуляционных покрытий, полученных по одно- и двухстадийной технологии. Таблица 1. Состав алюминидных ГЦА покрытий на сплаве ЖС26У Покрытие Газовое Зона Содержание элементов, % (по массе) слоя* Al Ti Сr Со Мо W Nb Ni 1 20,5 0,42 2,3 7,1 0,44 0,18 0,1 Основа Циркуляционное 2 13,1 1,02 5,9 9,0 1,3 19,8 1,04 Основа Алитирование 3 5,88 0,9 4,6 9,3 0,8 1,24 1,6 Основа 19,0 0,3 6,0 6,05 0,06 0,3 0,2 Основа 12,4 0,5 8,5 7,1 0,59 11,6 0,74 Основа Двухстадийное газовое циркуляционное алитирование (Ni–Al–Cr) 2 * 1, 2 – внешний и внутренний слой покрытия; 3 – основа (ЖС). ГЦП оказывает положительное влияние на длительную прочность ЖС, повышая долговечность (время до разрушения) образцов с покрытием. Двухстадийные ГЦП при испытаниях на термоциклическую ползучесть повышают в 1,5–2 раза работоспособность ЖС в сравнении с алитированным сплавом и оказывают положительное влияние на предел выносливости сплава ЖС26У при температуре 1000°С. В целом двухстадийное ГЦП обеспечивает более надежную защиту от окисления ЖС при температуре 1050°С по сравнению с одностадийным покрытием. При ГЦА поверхности внутренней полости лопаток покрытие формируется и на внешней, трактовой, ее поверхности, которую практически трудно предохранить от алитирования. ГЦП внешней поверхности лопатки не обеспечивает требуемый уровень ее защиты, так как, во-первых, имеет недостаточный «запас» (интегральное содержание) легирующих элементов (ограниченные толщина и содержание хрома во внешнем слое покрытия), а во-вторых, недостаточный набор элементов, необходимых для комплексного легирования покрытия. Поэтому для защиты внешней трактовой поверхности лопаток турбин с ТСО рассматриваются многокомпонентные (МК) ионноплазменные (ИП) жаростойкие покрытия или теплозащитные покрытия (ТЗП), содержащие ионно-плазменный соединительный слой и внешний керамический слой на основе стабилизированного диоксида циркония столбчатой, слоистой, пористой или трещиноватой структуры. Формирование жаростойкого ионно-плазменного покрытия или соединительного слоя для теплозащитного покрытия на внешней трактовой поверхности пера лопатки возможно двумя способами: • путем предварительного нанесения на поверхность лопатки ИП покрытия из никелевого сплава определенной толщины и состава и последующего ГЦА или ГЦП; • путем нанесения легированного двухстадийного диффузионного или конденсационно-диффузионного (К-Д) ИП покрытия на поверхность лопатки, имеющей ГЦА или ГЦП слой. Таким образом, покрытие на трактовой поверхности лопаток с ТСО с требуемыми защитными свойствами можно получить путем последовательного чередования двух различных технологий – ГЦА и ионноплазменной технологии высоких энергий. Для защиты трактовой поверхности лопаток турбин современных ГТД от высокотемпературной газовой коррозии в ВИАМ разработаны оригинальные технологические процессы получения на установке МАП-1М ионноплазменных диффузионных, конденсированных и К-Д алюминидных покрытий, а также гамма сплавов на основе никеля и алюминия для реализации этих технологий [2–5]. Типы покрытий, разработанных в ВИАМ для лопаток турбин ГТД, приведены в табл. 2. Таблица 2. Ионно-плазменные защитные покрытия для лопаток турбин ГТД Тип покрытия Алюминидные диффузионные покрытия Назначение Сплав (конструкция) покрытия ВСДП-11 (ВП) ВСДП-13 (ВП) ВСДП-15 (ВП) Система покрытия Защита от газовой Ni–Al–Si–Y коррозии в области Ni–Al–Si–B температур 950– Ni–Al–Cr–Si–Y 1050°С Легированные Защита от газовой СДП-1+ВСДП-11 (ВП) Ni–Al–Cr–Co–Si–Y алюминидные коррозии в области СДП-2+ВСДП-11 (ВП) Ni–Al–Cr–Si–Y диффузионные температур 1000– ВСДП-8 (ВП) +ВСДП-18 (ВП) Ni–Al–Cr–W–C–Y покрытия 1100°С Соединительные слои ВСДП-9 (ВП) + ВСДП-18 (ВП) Ni–Al–Cr–Та–Y ТЗП Конденсированные Защита от газовой СДП-1 Ni–Co–Cr–Al–Y покрытия коррозии в области СДП-2 Ni–Cr–Al–Y температур 1050– ВСДП-5 (ВП) Ni–Cr–Al–В 1100°С Защита от сульфидноСДП-1 Ni–Co–Cr–Al–Y оксидной коррозии в СДП-6 Co–Cr–Al–Ni–Y области температур 800–950°С КонденсационноЗащита от газовой СДП-2+ВСДП-16 (ВП) (MeC)+Ni–Cr–Al–Y+ диффузионные коррозии в области +Ni–Al–Cr–Y покрытия температур 1100– 1200°С Соединительные слои ВСДП-(9)8+ВСДП-18 (ВП) Ni–Cr–Al(Ta)–W–C–Y+ ТЗП +Ni–Cr–Al–Y Защита от сульфидноСДП-1+ВСДП-13 (ВП) Ni–Co–Cr–Al–Y+ оксидной коррозии в +Ni–Al–Si–В области температур 800–950°С Диффузионные ИП покрытия имеют характерное двухзонное строение с внешним слоем на основе NiAl, легированного Cr (до 12%), Cr–Y, Si–Y, Pt и др. Для комплексного легирования ИП диффузионных покрытий предложено нанесение конденсированных подслоев на никелевой основе, содержащих элементы, легирующие покрытие [6]. Одновременно подслой является препятствием для растворения тугоплавких элементов сплава в диффузионном слое. Состав подслоя, его толщина и содержание в нем легирующих элементов выбираются таким образом, чтобы обеспечить требуемое содержание легирующего элемента в диффузионном слое. Применительно к защите турбинных лопаток с ТСО двухстадийные диффузионные покрытия практически не изменяют геометрии перфорационных отверстий (толщина покрытия над поверхностью ЖС приблизительно равна толщине конденсированного подслоя, т.е. ~20 мкм), что является преимуществом таких покрытий. Характерными особенностями ИП конденсированных покрытий, разработанных ВИАМ, являются их мелкодисперсная структура, высокая адгезия, а также высокая точность осаждения и низкая стоимость [7]. Такие покрытия оказывают минимальное влияние на механические характеристики материала основы, а в ряде случаев позволяют значительно улучшить свойства композиции сплав–покрытие: например, малоцикловую усталость (до 20–25%), термостойкость (в 2 раза и более), жаропрочность (на ~10–15%) при больших базах испытаний (500 ч и более). Ограниченный запас Al в конденсированных покрытиях не позволяет длительно использовать эти покрытия при температурах свыше 1100°С. Поэтому для работы при более высоких температурах в ВИАМ были разработаны оригинальные двух- или трехслойные конденсационно- диффузионные (К-Д) покрытия, обеспечивающие защиту жаропрочных сплавов в диапазоне температур от 1100 до 1200°С. Увеличение рабочей температуры таких покрытий было достигнуто благодаря увеличению запаса Al в покрытии за счет внешнего легированного диффузионного алюминидного слоя с определенным и точно контролируемым содержанием Al. В ряде случаев для уменьшения диффузионной связи между основой и К-Д покрытием используются тонкие (~3 мкм) противодиффузионные слои из карбида металла, получаемые методом плазмохимии высоких энергий или новым процессом термостимулированного насыщения поверхности ЖС ионами чистых металлов и сплавов при низких энергиях частиц (до 2 кэВ), разработанным ВИАМ. Процесс промышленной ионно-плазменной проводится установке на модернизированной МАП-1М или МАП-2 (автоматизированный вариант установки МАП-1М) и позволяет изменять физико-химические свойства обрабатываемой поверхности путем управления ее структурно-фазовым состоянием. В целом можно отметить, что К-Д покрытия имеют значительно более высокие защитные свойства по сравнению с обычными конденсированными покрытиями, что обусловило их широкое использование в промышленности [7]. Список литературы: 1. Лесников В.П., Кузнецов В.П., Горошенко Ю.А. и др.//МиТОМ. 1998. № 10. С. 21–25. 2. Каблов Е.Н., Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Помелов Я.А. // Конверсия в машиностроении. 1999. № 2 (33). С. 42–47. 3. Muboyadzhyan S.A. // Aerospace Journal. 1998 (May–June). P. 24–25. 4. Будиновский С.А., Каблов E.H., Мубояджян С.A. и др. // В сб.: Авиационные материалы на рубеже XX–XXI веков. М.: 1994. С. 314–325 (ВИАМ). 5. Мубояджян С.А., Каблов Е.Н., Будиновский С.А. // МиТОМ. 1995. № 2. С. 15–18. 6. Мубояджян С.А., Каблов Е.Н., Будиновский С.А. и др. Способ получения диффузионного алюминидного покрытия на изделии // Положительное решение от 1.11. 2000 г. по заявке № 99111115 / 02 от 27.05.1999 г. на патент. 7. Мубояджян С.А., Будиновский С.А. // МиТОМ. 1996. №4. С. 15–18. (Окончание следует)