Демин Ф. И., Проничев Н. Д., Шитарев И. Л. Создание термостойкого покрытия на рабочей поверхности пера лопатки

Источник: Демин Ф. И., Проничев Н. Д., Шитарев И. Л. Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей: Учеб. пособие. — М.: Машиностроение. 2002. — 328 с.; ил.

      Для обеспечения надежности и долговечности ГТД, работающих в условиях агрессивных сред, высоких температур, топлив, содержащих серу, в пылевлагонасыщенных районах, когда возможно попадание солей натрия и кальция в проточную частьт двигателя, предъявляют жесткие требования к материалам и технологии получения защитных покрытий рабочей части пера лопатки.
      Алюминидные и вакуумные одно- и двухслойные жаростойкие покрытия имеют ограниченный ресурс (400...500 ч).
      Повышение ресурса серийных ГТД до 1500 ч и выше, установление ресурса на конверсируемых изделиях серии НК не менее 50 тыс. ч привело к совершенствованию этих защитных покрытий.
      В технологии создания термостойких защитных покрытий высоконагруженных деталей используются различные методы:
   электронно-лучевое испарение и конденсация в вакууме;
   плазменное и вакуумно-плазменное напыление в динамическом вакууме;
   детонационное напыление;
   диффузионное насыщение.
      Сущность электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме заключается в том, что электрон после прохождения через электрическое поле с разностью потенциалов ускорения приобретает энергию. Первоначально покоящийся электрон, пройдя через поле с разностью потенциалов в 1 В, имеет скорость V = 595 км/с. При столкновении летящих электронов с поверхностью металла его кинетическая энергия расходуется на возбуждение рентгеновских излучений, образование вторичных электронов и нагрев. Потеря на рентгеновском излучении составляет 0,1 %.
      Нагрев и испарение напыляемого материала осуществляются в специальных установках (рис. 1). Из медных тиглей 4 с охлаждаемыми стенками и дном, которые перемещаются вертикально, происходит испарение материала. Для этого используются литые трубные катоды. Напыление осуществляется плазменными струями. Сжатие дуги в сопле плазмотрона обеспечивает повышение температуры до 10 000 ... 15 000 К. Скорость движения потока достигает скорости звука. Этим методом возможно напыление любого материала.

Рисунок 1 — Схема прямого электронно-лучевого испарения из одного источника:
1— электронно-лучевая пушка; 2 — поток электронов; 3 — испаряемый материал; 4 — водоохлаждаемый тигель; 5 — жидкая ванна; 6 — паровой поток; 7 — заслонка; 8 — подложка

      Низкое давление 1,64*10^3 ... 16*10^3 Па (вакуум) обеспечивает получение защитных покрытий на алюминиевой основе (AlNi, AlCr, AlSi) из порошковых смесей с галогенидными активаторами.
      При диффузионном покрытии обеспечивается хорошее сцеплениеслоя с основой.
      Однослойные многокомпозиционные (Ме-Сr-А1-Y) покрытия исчерпали свой ресурс (300 ... 400 ч). Совершенствование технологии и средств нанесения многослойных теплозащитных металлокерамических покрытий (ТЗП) и улучшение их качественных показателей термическими способами находят все большее применение в производстве ГТД. В качестве керамического материала при создании ТЗП используются низкотеплопроводные оксиды на основе ZrO2; А12О3; Се02; Y2O3; ВеО; НfO2 и т.д. Структура слоя металл—керамика имеет следующую форму и состав:
1) ZrO2 - Y2O3;
2) Ме-Сr-А1-Y (подслой иттрий);
3) подложка.
      Керамический слой наносится на подслой иттрия методом плазменного напыления или охлаждения в вакууме. Оптимальное содержание компонент в металлическом подслое иттрия обеспечивает качественное соединение слоев.
Трехслойное термобарьерное покрытие имеет вид:
1) ZrO2 - МgO (170 мкм);
2) керамика (65 %) - металл (35 %) (115 мкм)
3) Ni - Cr - Al - Y (100 мкм);
4) подложка.
      Струатура керамических покрытий зависит от способа нанесения слоев. Так, при плазменном напылении формируется слоистая арочная схема, а при электронно-лучевом — столбчатая. С целью улучшения качественных показателей работы столбчатой структуры керамического многослойного покрытия используются термические приемы, позволяющие в процессе создания слоя обеспечить упрочнение поверхности термобарьерного покрытия.
       Процессы, происходящие при создании термостойкого многослойного покрытия, имеют весьма сложные зависимости на микроуровне поверхностного слоя. Ионно-плазменное напыление, ионная имплантация, лучевая обработка требуют глубокого изучения процессов на макро-, мезо- и микроуровне с учетом состояния кристаллических решеток материалов заготовок и нанесенных слоев. Исследования, проводимые в направлении оптимизации технологических параметров, новых высоких технологий имеют потенциальный запас надежности и качества изделий ГТД.

СОЗДАНИЕ ТЕРМОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ НА РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ПЕРА ЛОПАТКИ

Демин Ф. И., Проничев Н. Д., Шитарев И. Л.