Экспериментальные исследования защитных покрытий лопаток турбины газотурбинного двигателя на изотермическую жаростойкость

Введение (Introduction)

Сегодня теплозащитные покрытия (TЗП) широко используются для защиты деталей горячей части газотурбинного двигателя (сопловых и рабочих лопаток, уплотнений и элементов камеры сгорания) от воздействия высокотемпературного окисления. Однако применяемые на лопатках турбины ТЗП подвержены явлениям разрушения от воздействия внутренних и внешних факторов [Абусдель и др., 2005; Методика оценки…, 2015], которые могут значительно ограничить их долговечность. Разработка новых и перспективных ГТД связана с увеличением температуры газа перед турбиной и степени сжатия воздуха. Это приводит к увеличению термомеханических нагрузок на лопатки турбины. Лопатки турбины работают также в условиях воздействия агрессивной среды – воздействия продуктов сгорания топлива, сульфидной и солевой коррозии. Поэтому актуальность данного исследования вызвана необходимостью увеличения ресурса лопаток турбины при все возрастающих термомеханических нагрузках, а также выбором покрытия, которое обеспечивало бы работоспособность лопатки в различных условиях эксплуатации и сочеталось как с материалом лопатки, так и с керамическим слоем.

В настоящее время проводятся как академические, так и промышленные исследования, направленные на повышение работоспособности ТЗП [Абусдель и др., 2005; Gleeson, 2006; Zhong et al., 2014].

Основной целью исследования на изотермическую жаростойкость рассматриваемых вариантов защитных покрытий для лопаток турбины ГТД является выбор эффективного покрытия в качестве металлического подслоя для ТЗП, которое обеспечит более длительную защиту лопатки турбины в процессе эксплуатации.

Материалы и методы (Materials and Methods)

С целью выбора металлического подслоя для конструкции ТЗП авторами на лопатках-образцах из жаропрочного монокристаллического никелевого сплава ЖС-32ВИ проведены исследования изотермической жаростойкости покрытий с несколькими вариантами подслоев:

• комбинированное, конденсационно-диффузионное АЖ8+CrAl;
• шликерное покрытие из водной суспензии состава MoSi₂TiSiAl;
• шликерное покрытие из водной суспензии состава Cr₂O₃SiAl;
• конденсационное ВСДП11;
• шликерное покрытие из водной суспензии состава AlZr;
• конденсационное ВСДП3+ВЗДП16;
• конденсационное СДП2+ВСДП16.

Каждый из вариантов покрытия был нанесен на три технологические лопатки. В процессе испытаний на одной из лопаток через 50, 100, 150 и далее через каждые 100 часов испытаний отрезали кусочек для дальнейшего изготовления шлифа и оценки изменения микроструктуры и химического состава. По двум остальным лопаткам оценивали изменение внешнего вида и проводили оценку площади отслоения керамического слоя. Варианты покрытий 1, 4, 6 и 7 наносились методом вакуумно-плазменной технологии высоких энергий (ВПТВЭ) по разработанной ВИАМ технологии на установке МАП-1 [Мубояджян, 2012]. В варианте 1 после нанесения подслоя АЖ8 проводилось диффузионное хромоалитирование в порошках. Для приготовления смеси использовались состав и технология приготовления и нанесения, разработанные в ВВИА им. Н.Е. Жуковского [Прогрессивные технологии…, 2008; Коломыцев и др., 2005].

Остальные варианты покрытия наносились шликерным методом путем распыления водной суспензии с помощью пульверизатора и последующего диффузионного отжига при температуре 1100 ºC в течение 0,5 часа [Применение покрытий…, 2015]. Все покрытия имели толщину 70±20 мкм.

На все варианты подслоев нанесли керамический слой ТЗП из стабилизированной окиси циркония ZrO₂x7%Y₂O₃ толщиной около 100 мкм методом EB-PVD на установке УЭ-175.

Лопатки с покрытиями испытывались на изотермическую жаростойкость при температуре T=1100 ºC в открытой печи. Режим испытаний: загрузка лопаток с вариантами покрытий в прогретую печь, выдержка в течение 8/16 часов, выгрузка с последующим охлаждением на воздухе. Осмотр в лупу, повторная загрузка. Фиксировалось время начала растрескивания и отслаивания керамического покрытия. Испытания проводились до появления сколов или отслаивания керамического слоя на корыте и входной кромке пера лопатки площадью свыше ~ 300мм².

Дискуссия (Discussion)

В процессе применения ТЗП на лопатках турбины возникают противоречия при поиске баланса при выборе варианта покрытия между их служебными свойствами – способностью защищать сплав лопатки от воздействия комплексных эксплуатационных факторов, механическими свойствами и термостойкостью покрытия.

Одним из вопросов является химический состав покрытия, необходимый для того, чтобы сформировать и обеспечить сохранность оксидной пленки Al₂O₃. Увеличение толщины оксидной пленки (Al₂O₃) и взаимная диффузия между связующим слоем и подложкой приводят к уменьшению содержания алюминия в связующем покрытии. Уменьшение содержания алюминия может способствовать образованию других оксидов, таких как оксид никеля и др., образующих шпинели, которые ускоряют рост оксидной пленки, повышающий сжимающие напряжения и приводящий к окислению покрытия. Уменьшение содержания алюминия также приводит к фазовым превращениям, таким как превращение из β-фазы в γ^/ [Мубояджян и др., 2008; Методика оценки…, 2015]. Повышение напряжений, возникающих из-за изменений в связующем покрытии, является фактором, способствующим уменьшению работоспособности ТЗП в целом.

Анализ эксплуатационных повреждений ТЗП показывает, что их можно разделить на две категории: повреждения, зависящие от термического цикла, называемые «внутренними повреждениями», и повреждения, не зависящие от температуры, называемые «внешними» повреждениями, которые вызываются частицами в воздушной среде газовой турбины, что приводит к уносу верхнего слоя, растрескиванию и полному разрушению / отслаиванию (рис. 1).

Рисунок 1 – Схема различных вариантов деградации ТЗП (составлено авторами)

Figure 1 – Diagram of different variants of degradation of heat-protective coating (compiled by the authors)

При температуре выше 1200°C частицы, образовавшиеся при сгорании топлива, продуктов прирабатываемых покрытий и воздуха, содержащие легкоплавкие оксиды Ca, Mg, Al и Si и образующие их расплав (CMAS), могут осаждаться на поверхности ТЗП, плавиться и проникать в его структуру, изменяя механические свойства у поверхности и повышая склонность к растрескиванию ТЗП. Схема различных вариантов деградации представлена на рисунке 1.

Таким образом, рост напряжений, суммирующихся от влияния теплового расширения при термоциклировании и фазовых превращений, приводит к возникновению деформаций ползучести связующего покрытия и ведет к разрушению TЗП.

Поэтому исследователи уделяют пристальное внимание поисковым работам, направленным на повышение долговечности ТЗП за счет выбора химического и фазового составов металлического подслоя. Способ формирования покрытия напрямую оказывает влияние на его свойства за счет получения в покрытии различных фазовых и структурных составляющих. Вакуумно-плазменное нанесение покрытия даёт одни характеристики, шликерное и ионно-имплантационная обработка – другие.

Структурно ТЗП состоят из нескольких слоев (рис. 2). Свойства систем ТЗП во многом зависят от структуры, химического и фазового составов слоев покрытия, а также от морфологии и адгезии на границе раздела «керамика-металл». Эти свойства необходимо тщательно контролировать в процессе формирования ТЗП путем оптимизации параметров процесса и характеристик применяемых материалов (например, химическим составом, технологией изготовления и подготовки перед нанесением, морфологией, размером частиц и гранулометрическим составом). Хотя существует множество методов нанесения керамического слоя ТЗП, таких как EB-PVD, APS, газопламенное напыление, HVOF, холодное напыление, электродуговое напыление и технология распыления суспензии (SST). Но для относительно небольших и ответственных деталей, таких как лопатки турбин, наиболее качественно и эффективно ТЗП наносят методом электронно-лучевого испарения и конденсации из паровой фазы (EB-PVD) [Будиновский и др., 2014; Кашин и др., 2018]. На более крупные детали, такие как камеры сгорания, лопатки стационарных турбин энергетического назначения, сопловые лопатки и блоки, покрытия обычно наносятся методом атмосферного плазменного напыления (APS). 

Каждый из слоев покрытия влияет на общую работоспособность ТЗП. Одним из элементов такой конструкции является жаропрочный металлический подслой, выполняющий роль связующего между никелевым сплавом и керамическим слоем.

Поэтому поиск варианта покрытия зачастую сводится к поиску наиболее рационального покрытия, которое бы обеспечивало длительную защиту лопатки от воздействия условий эксплуатации, при этом не оказывало бы существенного влияния на характеристики самого жаропрочного сплава [Выбор..., 2014; Сравнительное исследование…, 2020].

Рисунок 2 – Схема построения защитных слоев покрытия и их роль (составлено авторами)

Figure 2 – Scheme of construction of protective coating layers and their role (compiled by the authors)

Результаты и их обсуждение (Results)

Результаты проведенных испытаний представлены на рисунке 3.

Анализ результатов экспериментальных исследований показывает, что наиболее низкую жаростойкость показали варианты 4, 6 и 7. Одной из причин низкой жаростойкости данных вариантов покрытия является их пористость в процессе их формирования конденсационным методом. Нанесение хромоалитированного слоя в варианте 1 и наличие в его составе тугоплавких элементов (тантал, вольфрам и гафний) снижают пористость покрытия и уменьшают диффузионную подвижность элементов покрытия, что обеспечивает достаточно высокую изотермическую жаростойкость.

Рисунок 3 – Диаграмма испытаний ТЗП с вариантами металлических подслоев на жаростойкость при температуре 1100 ºC (составлено авторами)

Figure 3 – Diagram of heat-protecting coatings tests with variants of metal sublayers with respect to heat resistance at 1100°C (compiled by the authors)

Особенностью покрытий вариантов 2, 3 и 5 (рис. 4) является протекание экзотермических реакций при их формировании в процессе диффузионного отжига. Отличие в их жаростойкости вызвано различным химическим составом в исходных суспензиях, что, кроме различий в жаростойкости, приводит еще и к различному выделению тепла при протекании экзотермической реакции и, как следствие, к формированию микроструктуры с различной плотностью слоя.

Наличие пор в покрытиях, сформированных конденсационным методом, снижает изотермическую жаростойкость за счет проникновения кислорода по порам, тем самым увеличивая общую площадь окисления. С целью снижения влияния пор в таких покрытиях целесообразно проводить горячее изостатическое прессование (ГИП) [Абраимов и др., 2019; Tatarko et al., 2010]. Получение плотной структуры покрытия варианта 2 обеспечивает его высокую изотермическую жаростойкость.

Рисунок 4 – Микроструктура исследуемых вариантов покрытия (составлено авторами)

Figure 4 – Microstructure of the investigated coating options (compiled by the authors)

Структура и химический состав металлического подслоя ТЗП оказали влияние на долговечность ТЗП в процессе испытания на изотермическую жаростойкость. Как видно из рисунка 5, на металлическом подслое всех вариантов после испытания на жаростойкость увеличилась оксидная пленка. Однако ее толщина увеличилась на исследуемых вариантах неодинаково. С увеличением роста оксидной пленки уменьшается адгезионная прочность между керамическим и металлическими слоями. Так, на варианте 4 наблюдается наибольший рост оксидной пленки, что привело к появлению трещин в керамическом слое.

Рисунок 5 – Микроструктура исследуемых вариантов покрытия после испытания на жаростойкость в течение 532 часов (составлено авторами)

Figure 5 – Microstructure of the investigated coating options after a heat resistance test for 532 hours (compiled by the authors)

Кроме того, в процессе испытания происходит диффузия легирующих элементов между сплавом и металлическим слоем. Наличие тугоплавких элементов, таких как Hf, Ta, W и др., в подслое варианта 1 тормозит диффузию, а сформированный плотный слой варианта 2 также оказал положительное влияние на жаростойкость ТЗП. Следует отметить, что введение в подслой циркония в варианте 3 обеспечивает хорошую диффузионную сопряженность с керамическим слоем, что также оказало положительный эффект.

Таким образом, по результатам проведенных исследований из выбранных для испытаний ТЗП для лопаток из сплава ЖС-32ВИ наиболее стойкими являются варианты с подслоями 1, 2 и 5. Однако при выборе лопаток из других сплавов потребуется повторное проведение исследований жаростойкости вариантов подслоя вместе с керамическим слоем ТЗП.

Заключение (Conclusion)

На основании экспериментальных исследований установлено, что химический и фазовый составы металлического подслоя, а также метод его формирования оказывают влияние на его жаростойкость. В качестве металлического подслоя для конструкции ТЗП лопаток из сплава ЖС-32ВИ целесообразно использовать варианты покрытий 1, 2 и 5. Для уменьшения влияния наличия пор в покрытиях, сформированных конденсационным методом, целесообразно проводить горячее изостатическое прессование (ГИП).