Исследование закономерностей разрушения защитных оксидных слоев и теплозащитных покрытий монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов в условиях высокотемпературного воздействия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, кандидат наук Суходоева Надежда Вячеславовна

• Суходоева Надежда Вячеславовна
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Суходоева Надежда Вячеславовна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОКИСЛЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ЗАЩИТЫ ПОВЕРХНОСТИ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

1.1 Развитие жаропрочных никелевых сплавов для рабочих лопаток газотурбинных двигателей

1.2 Механизмы формирования оксидных слоев при высокотемпературном окислении жаропрочных никелевых сплавов

1.3 Причины разрушения защитных оксидных слоев

1.4 Технологии защиты поверхности монокристаллических никелевых сплавов

при высокотемпературном окислении

1.4.1 Технологии подготовки поверхности перед нанесением теплозащитных покрытий

1.4.2 Системы теплозащитных покрытий

1.5 Теоретические и экспериментальные методы определения адгезионной прочности защитных оксидных слоев и теплозащитных покрытий

1.6 Постановка целей и задач исследования

ГЛАВА 2 МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МИКРОСТРУКТУРЫ, ФАЗОВОГО СОСТАВА И ФИЗИКО-

МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИССЛЕДУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

2.1 Исследуемые системы, режимы высокотемпературного окисления и подготовка поверхности образцов

2.2 Методы исследования микроструктуры и фазового состава защитных

оксидных слоев

2.3 Методы определения физико-механических свойств защитных оксидных

слоев и адгезионной прочности в системе металл/оксид

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ОКСИДНЫХ СЛОЕВ

3.1 Анализ существующих моделей разрушения защитных оксидных слоев

3.2 Экспериментальные исследования закономерностей разрушения защитных оксидных слоев после высокотемпературного окисления жаропрочных сплавов

3.3 Определение режимов ионной обработки поверхности для повышения адгезии в системе металл/оксид

3.4 Исследования влияния режимов охлаждения на микроструктуру оксидных слоев и целостность границы раздела металл/оксид

3.5 Метод определения характеристик адгезии в системе металл/оксид после высокотемпературного окисления

3.6 Выводы по разделу

ГЛАВА 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗАЩИТНЫХ ОКСИДНЫХ СЛОЕВ И АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ

В СИСТЕМЕ МЕТАЛЛ/ОКСИД

4.1 Определение физико-механических свойств защитных оксидных слоев методом наноиндентирования

4.2 Определение работы адгезии в системе металл/оксид при скретч-испытаниях

4.3 Выводы по разделу

ГЛАВА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН И ОСОБЕННОСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ СИСТЕМЫ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК

ГАЗОВЫХ ТУРБИН

5.1 Условия эксплуатации и причины разрушения ТЗП для рабочих лопаток

5.2 Экспериментальные исследования микроструктуры и механизмов разрушения ТЗП

5.3 Анализ напряженно-деформированного состояния в системе ТЗП

5.4 Выводы по разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование закономерностей разрушения защитных оксидных слоев и теплозащитных покрытий монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов в условиях высокотемпературного воздействия»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Для увеличения ресурса и защиты внешних поверхностей рабочих лопаток из жаропрочных никелевых сплавов, относящихся к наиболее нагруженным и ответственным элементам газотурбинных двигателей (ГТД), в настоящее время эффективно применяются многослойные системы теплозащитных покрытий (ТЗП) в комбинации со сложными системами внутреннего воздушного охлаждения. Долговечность системы ТЗП во многом определяется свойствами защитного оксидного слоя, который формируется на поверхности жаростойкого металлического подслоя во время высокотемпературного воздействия (далее по тексту ТВО, в зарубежной литературе TGO - thermally grown oxide). Комбинированное действие агрессивных газовых сред и механических напряжений служит причиной нарушения адгезии на границе раздела металл/оксид, деградации и разрушения ТВО, которое выражается в образовании продуктов коррозии, трещин и отслоений, что приводит к потере работоспособности всей системы ТЗП.

При разрушении системы ТЗП или ее отсутствии, что может быть также связано с технологическими особенностями при нанесении покрытий на внутренние поверхности перфорационных отверстий систем охлаждения, необходимо учитывать поведение никелевых сплавов, непосредственно контактирующих с окислительной атмосферой при высокотемпературном воздействии.

Таким образом, с точки зрения безопасности эксплуатации, живучести и ресурса элементов авиационного назначения, актуальным является исследование закономерностей разрушения защитных оксидных слоев и теплозащитных покрытий, развитие расчетно-экспериментальных методов для оценки характеристик адгезии в системе металл/оксид, а также методов подготовки поверхности, обеспечивающих ее повышение. Исследование адгезионной

прочности в системе металл/оксид осложняется отсутствием стандартизированных методов определения. Зачастую не учитываются реальные физико-механические свойства, микроструктурные особенности защитных оксидных слоев и наличие внутренних напряжений. Термические напряжения сжатия, вызванные различием коэффициентов линейного температурного расширения (КЛТР) металлической основы и ТВО, достигают критического значения во время охлаждения и могут приводить к разрушению защитного слоя. При этом недостаточно изучено влияние режимов охлаждения на механическое поведение защитных оксидных слоев, а применительно к системе металл/оксид отсутствуют четкие критерии разрушения, что также обусловило актуальность данных исследований.

Степень разработанности темы исследования. Современные ТЗП для защиты монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов представляют собой сложные многослойные системы, состоящие из нескольких компонентов: металлического жаростойкого подслоя (ЖСП), внешнего керамического теплобарьерного слоя (КТП) и защитного оксидного слоя (ТВО), формирующегося в процессе эксплуатации при высокой температуре. Разработкой составов ТЗП и технологий их нанесения занимаются научные коллективы Всероссийского института авиационных материалов (ВИАМ), Института металлургии и материаловедения имени А.А.Байкова, ПАО «ОДК-Сатурн», Лыткаринского машиностроительного завода (ОДК-УФПО), General Electric и Pratt&Whitney (США), Rolls-Royce (Великобритания), Snecma Groupe Safran (Франция) и другие. Усовершенствование технологии нанесения покрытий направлено на повышение их жаростойкости, жаропрочности и долговечности, а также на уменьшение вероятности разрушения покрытий, снижение экономических затрат на производство и обслуживание рабочих лопаток. Однако, несмотря на это, проблема адгезии защитного оксидного слоя к металлическому и керамическому слоям остается достаточно актуальной.

В последние десятилетия интенсивные исследования в данной области проводились в нескольких направлениях. В работах авторов J. Hutchinson, R. Lobb, D. Clarke, D. Young, M. Schutze, D. Monceau и др. приведены результаты исследований по изучению влияния различных факторов, таких, как геометрия границы раздела, форма и размер дефектов, физико-механические свойства компонентов системы и др., на появление трещин на границе раздела металл/оксид, приводящих к отслоению ТВО. В ряде экспериментальных работ установлено влияние скорости охлаждения на уровень внутренних напряжений и появление отслоений защитных оксидных слоев на поверхности жаростойких сплавов (H. Evans, V. Tolpygo и C. Zhu), однако предложенные авторами модели разрушения (скалывание, вздутие и вздутие с последующим отслоением) не учитывают режимы охлаждения. Для анализа напряженно-деформированного состояния в системах ТЗП также широко применяются методы математического и численного моделирования на основе классических методов теории упругости и линейной механики разрушения (A. Evans, Y. Sun и др.).

Другим направлением исследований является развитие технологий подготовки поверхности и нанесения теплозащитных покрытий. Одна из таких технологий - ионное модифицирование поверхности подробно рассмотрена в работах отечественных ученых С.А. Мубояджяна, Е.Н. Каблова, Н.Н. Коваля, В.Е. Овчаренко и др. Следует отметить, что режимы обработки поверхности ионами инертных газов не регламентированы и не применяются для повышения адгезии в системе металл/оксид.

Для определения адгезионной прочности в системе металл/оксид усовершенствуются методы механических испытаний, наиболее распространенными из которых являются скретч-испытания, четырехточечный изгиб, растяжение в камере электронного микроскопа и др. В данном направлении известны работы авторов M. Thouless, P. Burnett, S. Bull, T. Johannesson, E. Liniger, D. Mumm, F. Attar, Y. Zhao, S. Guo, A. Ray. Однако, в зависимости от метода испытаний, условий эксперимента и особенностей исследуемых систем, характеристики адгезии имеют значительный разброс. Причины разброса

обусловлены отсутствием стандартизированных методов определения и использованием значений физико-механических свойств, полученных на стандартных макрообразцах без учета микроструктурных особенностей ТВО и внутренних напряжений.

Несмотря на значительный объем работ в данных направлениях, системное исследование микроструктуры и механических свойств, а также закономерностей разрушения защитных оксидных слоев является актуальной задачей. Для исключения одновременного влияния различных факторов обоснована проверка применимости предлагаемых расчетно-экспериментальных методов на модельной системе металл/оксид.

Цель диссертационной работы - комплексное расчетно-экспериментальное исследование структуры, физико-механических свойств и закономерностей разрушения защитных оксидных слоев и теплозащитных покрытий монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов и определение режимов предварительной подготовки поверхности сплавов для формирования однородной микроструктуры защитных оксидных слоев и повышения адгезии в системе металл/оксид при высокотемпературном воздействии.

Задачи исследования:

1. Установить влияние режимов охлаждения на состояние границы раздела металл/оксид, микроструктуру и на закономерности разрушения защитных оксидных слоев, сформулировать условия разрушения ТВО и рекомендации по использованию режимов охлаждения для обеспечения целостности границы раздела металл/оксид.

2. Разработать метод определения характеристик адгезии в системе металл/оксид на основании результатов экспериментальных исследований закономерностей разрушения защитных оксидных слоев.

3. Исследовать физико-механические свойства защитных оксидных слоев методом наноиндентирования и определить работу адгезии в системе металл/оксид по результатам скретч-испытаний с учетом полученных экспериментальных значений модуля упругости.

4. Определить оптимальные режимы воздействия ионами аргона для предварительной подготовки поверхности образцов монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, обеспечивающие формирование однородной микроструктуры и повышение адгезии защитных оксидных слоев при последующем высокотемпературном окислении.

5. Установить основные причины разрушения теплозащитных покрытий на рабочих лопатках газотурбинных двигателей на основании результатов экспериментальных исследований микроструктуры и результатов расчетов методами математического и численного моделирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. В результате системных исследований определено влияние режимов охлаждения на состояние границы раздела металл/оксид и установлены закономерности разрушения защитных оксидных слоев на поверхности монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов после высокотемпературного окисления. Сформулированы условия разрушения и рекомендации по режимам охлаждения для обеспечения целостности границы раздела металл/оксид.

2. Предложен метод определения характеристик адгезии в системе металл/оксид, учитывающий микроструктурные особенности ТВО и возникающие в них внутренние напряжения, геометрические параметры дефектов и тип разрушения.

3. Показана возможность применения воздействия ионами аргона для предварительной подготовки поверхности монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов для повышения адгезии и формирования бездефектных защитных оксидных слоев при последующем высокотемпературном окислении.

4. Установлена зависимость внутренних напряжений в слоях ТЗП на рабочих лопатках ГТД от геометрических параметров дефектов и границы раздела слоев, а также скорости охлаждения.

Теоретическая значимость. Диссертационная работа вносит существенный вклад в развитие материаловедения и содержит новые представления о

закономерностях разрушения защитных оксидных слоев и теплозащитных покрытий монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов при высокотемпературном воздействии. Совокупность теоретических и экспериментальных данных позволяет установить возможную область разрушения в ТВО и расширяет возможности создания систем ТЗП с повышенными характеристиками прочности и ресурса.

Практическая значимость. Сформулированные рекомендации по использованию режимов охлаждения позволяют обеспечить целостность границы раздела металл/оксид. Установленные оптимальные режимы предварительной подготовки поверхности монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов ионами аргона способствуют формированию однородной микроструктуры защитных оксидных слоев и повышению адгезии в системе металл/оксид при последующем высокотемпературном окислении. Данные режимы обработки могут быть применены в качестве технологической операции при нанесении на внешнюю поверхность рабочих лопаток систем ТЗП. Для определения физико-механических свойств защитных оксидных слоев и работы адгезии в системе металл/оксид рекомендовано применять методы наноиндентирования и скретч-испытаний. Разработанный проект методических рекомендаций регламентирует процедуру по определению работы адгезии оксидных слоев при скретч-испытаниях.

Методология и методы исследования. Работа выполнена с использованием методов оптической и сканирующей электронной микроскопии. Для определения химического и фазового состава исследуемых материалов применялись рентгено-фазовый и энерго-дисперсионный методы анализа. Для подготовки поверхности применялось воздействие ионами аргона, исследования параметров шероховатости проводились на стандартном профилометре. Физико-механические свойства защитных оксидных слоев и работа адгезии в системе металл/оксид определялись методом наноиндентирования и при скретч-испытаниях. Оценка энергии адгезии в системе металл/оксид и анализ локального напряженно-деформированного состояния в системе ТЗП при наличии дефектов

производились методами механики деформированного твердого тела и механики разрушения с использованием математического и численного моделирования методом конечных элементов.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием современных расчетных методов и методов анализа микроструктуры, физико-механических свойств, а также значительным объемом экспериментальных данных для корректной статистической обработки.

Личный вклад автора заключается в подготовке и проведении экспериментальных исследований, статистической обработке экспериментальных данных, проведении и анализе результатов математических и численных расчетов. Автор совместно с научными руководителями участвовала в обсуждении научных задач, формулировок положений и выводов, выносимых на защиту, подготовке статей.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Совокупность экспериментальных данных по влиянию режимов охлаждения на состояние границы раздела металл/оксид и на поведение при разрушении защитных оксидных слоев на поверхности монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов (ЖС32, ЖС36, ReneN5, AM1) после высокотемпературного окисления на воздухе при Т=1000°С в течение 50 ч.

2. Метод определения характеристик адгезии в системе металл/оксид, позволяющий установить возможную область разрушения и учитывающий микроструктурные особенности защитных оксидных слоев и возникающие в них внутренние напряжения, геометрические параметры дефектов и тип разрушения ТВО. Методические рекомендации по определению работы адгезии в системе металл/оксид при скретч-испытаниях с использованием экспериментальных значений модуля Юнга ТВО, полученных методом наноиндентирования.

3. Оптимальный режим подготовки поверхности ионами аргона, применение которого обеспечивает формирование однородной микроструктуры и повышение адгезии защитных оксидных слоев при последующем высокотемпературном окислении.

4. Совокупность расчетно-экспериментальных данных о причинах разрушения теплозащитных покрытий на рабочих лопатках ГТД после циклических испытаний и влиянии скорости охлаждения, геометрических параметров дефектов и границ раздела слоев на величину и распределение внутренних напряжений в слоях систем ТЗП.

Апробация работы. Результаты работы представлены и обсуждены на конференциях: II Всероссийской молодежной школе-конференции «Современные проблемы материаловедения» (г.Пицунда, 2011), II International Conference on Modern Problems in Physics of Surface and Nanostructures (г.Ярославль, 2012), Всероссийских конференциях «Безопасность и живучесть технических систем» (г.Красноярск, 2012, 2015), VII Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург, 2012), XVII Международной научной конференции «Решетневские чтения» (г.Красноярск, 2014), Международной конференции «Физическая мезомеханика многоуровневых систем» (г.Томск, 2014), Всероссийских конференциях «Молодежь и наука» (г.Красноярск, 2014, 2015), III Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций» (г.Новосибирск, 2014), XIX Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (г.Самара, 2015), Франко-российской Зимней школе «Высокотемпературное окисление и адгезия в системе металл/оксид» (г.Красноярск, 2015), Международной конференции «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» (г. Томск, 2017), 22nd European Conference on Fracture (г.Белград, 2018).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 научных работах в рецензируемых журналах, сборниках и трудах конференций, из них 4 - в журналах, входящих в перечень ВАК, 1 - в зарубежном издании, входящем в базу данных цитирования Scopus и Web of Sceince.

Работа выполнена в рамках следующих научных проектов и программ: совместного Франко-Российского научно-исследовательского проекта «Исследование адгезии оксидных слоев, формирующихся на поверхности сплавов

на основе железа и никеля при высокой температуре» РФФИ № 13-08-91053-НЦНИ_а (2012-1015гг.); Государственного задания ВУЗам на 2013-2015 гг. (ГБ СФУ Х-12) «Исследование структурных и фазовых превращений при твердофазных реакциях в тонких пленках, покрытиях и массивных материалах».

Автор выражает искреннюю благодарность руководителям Е. Н. Федоровой и В. В. Москвичеву за помощь в проведении экспериментальных исследований, обсуждении и трактовке результатов, а также за оказанную поддержку; Г. М. Зеер за помощь в проведении электронно-микроскопических исследований; Н.С. Николаевой и Е. Г. Зеленковой за помощь в пробоподготовке; А. Е. Бурову за консультации по анализу напряженно-деформированного состояния системы ТЗП методами численного моделирования; V. Turq за проведение экспериментальных исследований физико-механических свойств (наноиндентирование) и D. Monceau, D. Oquab за помощь в проведении экспериментальных исследований, внимание к работе и дружественный прием.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, списка сокращений и списка использованных источников из 137 наименований и одного приложения. Всего 144 страницы, 60 рисунков и 33 таблицы.

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОКИСЛЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ЗАЩИТЫ ПОВЕРХНОСТИ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

1.1 Развитие жаропрочных никелевых сплавов для рабочих лопаток

газотурбинных двигателей

Основной проблемой, возникающей при эксплуатации деталей в условиях высоких температур, агрессивных сред и механических нагрузок является обеспечение надежности и долговечности ответственных узлов. В связи с этим в настоящее время ведутся активные исследования по оптимизации химического состава жаропрочных сплавов, технологий их производства и методов защиты поверхностей.

Начало систематических исследований жаропрочных сплавов приходится на конец 1930-х годов, период, связанный с появлением реактивной авиации и газотурбинных двигателей (ГТД). Развитие технологий производства сплавов для лопаток ГТД позволило перейти от равноосной к направленной, а затем к монокристаллической структуре и получить жаропрочные сплавы, способные длительно выдерживать высокие нагрузки и температуры (рисунок 1.1). В настоящее время все большее применение находят высокоэнтропийные сплавы, содержащие минимум три основных элементов близких к эквиатомным концентрациям. За счет высокой степени энтропии для данных сплавов характерны высокая термическая стабильность, износотойкость, твердость [1 -2]. Благодаря подбору новых композиций жаропрочных сплавов, улучшения металлургической технологии выплавки, включая литье лопаток с монокристальной структурой, совершенствованию системы воздушного охлаждения лопаток, за последние 15 лет увеличение температуры рабочего газа составило примерно 280 °С. Начальные температуры газа в энергетических

газовых турбинах ведущих фирм сейчас достигают 960 - 1060 °С, а в турбинах самолетов 1300 °С и более.

1250-

О

1150

а ,

f? & 1050

Э а 2 S

м та

S É? 950

и в " §

<"> 850 •

750

Теплозащитные покрытия

Металлические покрытия

Монокристаллическое

Направленная

Высокоэнтропийные сплавы

литье

кристаллизация Равновесная :ристаллгоация

Рисунок 1.1 - Развитие технологии изготовления жаропрочных сплавов

и лопаток ГТД

Созданием жаропрочных сплавов и технологий отливки занимаются ведущие двигателестроительные фирмы и научные лаборатории: Pratt&Whitney, General Electric, Rolls-Royce, Cannon-Maskegon, Snecma Groupe Safran. В России жаропрочные сплавы для турбин и технологии производства литых лопаток разрабатываются в ВИАМ, ПАО «ОДК-Сатурн», ПАО «ОДК-УМПО», «Лыткаринском машиностроительном заводе» и других предприятиях.

Современные монокристаллические сложнолегированные никелевые сплавы, применяемые при производстве лопаток газотурбинных двигателей, имеют ГЦК-структуру, содержащую твердорастворную матрицу у и упрочняющую фазу у' (рисунок 1.2). Фазовая диаграмма системы Ni-Al приведена на рисунке 1.2.

В современных монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов в качестве легирующих добавок используются более 18 элементов (B, C, Al, Ti, V, Cr, Co, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, La, Ce, Hf, Ta, W, Re, Ru) [3]. В таблице 1.1 приведены жаропрочные сплавы на основе никеля различных поколений зарубежного и отечественного производств.

Рисунок 1.2 - Сплавы системы №-Л1: а - фазовая диаграмма [4], б - типичная микроструктура М^

Развитие современной технологии монокристаллического литья жаропрочных сплавов начинается с 1970-х годов. Применение данной технологии позволило, в первую очередь, снизить содержание упрочняющих элементов, таких как бор, углерод, цирконий, повысить температуру плавления и сопротивление ползучести (сплавы первого поколения) [5].

Таблица 1.1 - Химический состав (масс. %) и плотность монокристаллических

никелевых сплавов [6-9]*

Сплавы Леги рующие элементы Плотность, г/см3

& Mo W Al ТС Ta № ИГ Re Другие элементы

Первое поколение

ЖС 321 4,9 9,0 1,0 8,5 5,9 - 4,0 1,6 - 4,0 -

ЖС401 6,1 0,5 4,0 6,9 5,6 - 7,0 0,2 - - 0,02Y; 0,02Ce; 8,80

AM12 7,8 6,5 2,0 5,7 5,2 1,1 7,9 - - - - 8,59

Rene Ж3 9,8 7,5 1,5 6,0 4,2 3,5 4,8 0,5 0,15 - - 8,84

CMSX-24 8,0 5,0 0,6 8,0 5,6 1,0 6,0 - - - - 8,70

Второе поколение

ЖС361 4,0 7,0 1,6 11,0 5,8 1,1 - 1,1 - 2,0 - 8,72

Rene Ш3 7,0 8,0 2,0 5,0 6,2 - 7,0 - 0,15 3,0 0,015 Y 8,63

CMSX-44 6,5 9,0 0,6 6,0 5,6 1,0 6,5 - 0,1 3,0 - 8,70

Третье поколение

ВЖМ 1 (ЖС47)1 2,5 11,0 2,0 1,3 5,75 - 8,8 - - 9,3 0,02Y; 0,02Ce; 0,02La 9,09

Продолжение таблицы 1.1

Rene N63 4,2 12,5 1,4 6,0 5,75 - 7,2 - 0,15 5,4 0,05C 0,004B 0,01Y 8,97

CMSX-104 2,0 3,0 0,4 5,0 5,7 0,2 8,0 0,1 0,03 6,0 - 9,05

Четвертое поколение

MC 6532 4,0 - 1,0 6,0 5,3 1,0 6,2 - 0,1 5,0 3,0 Ru; 0,1Si -

ВЖМ 41 2,5 6,0 4,0 4,0 6,0 - 4,5 - - 6,5 4,0 Ru

MC-NG2 4,0 - 1,0 5,0 6,0 0,5 5,0 - 0,1 4,0 4,0 Ru

TMS-1385 2,9 5,8 2,9 6,1 5,8 - 5,6 - 0,05 5,1 1,9Ru

Пятое поколение

TMS-1625 3,0 5,8 3,9 5,8 5,8 - 5,6 - - 4,9 6Ru 9,04

TMS-1965 4,6 5,6 2,4 5,0 5,6 - 5,6 - - 6,4 5Ru 9,01

* 1 - ВИАМ, Россия; 2 - Snecma Groupe Safran, Франция; 3 - General Electric, США; 4 - Cannon Muskegon Corporation, США; 5 - NIMS and IHI, Япония.

Введение рения (Яе), а также увеличение содержания тугоплавких элементов: тантала (Та), вольфрама молибдена (Мо) характерно для

жаропрочных сплавов второго поколения. Добавки вольфрама и молибдена приводят к упрочнению и повышению стойкости к сульфидной коррозии. Достижения в микроструктурной стабильности сплавов заключались в управлении образованием топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз. Для сплавов третьего поколения увеличено содержание рения (порядка 5-6 масс.%), тантала и вольфрама, что привело также к повышению микроструктурной стабильности и улучшению литейных качеств.

Разработка четвертого и последующих поколений акцентируется на введении в состав сплавов добавок рутения (Яи) и рения (Яе), что привело одновременно к стабилизации фазового состава, увеличению плотности и повышению сопротивления ползучести сплавов, снижению вероятности выделения топологически плотноупакованных фаз.

Повышение жаропрочности современных никелевых сплавов сопровождается постепенным снижением содержания хрома с 6-9 масс.% до 2-4 масс.%. Хром, образуя самостоятельные фазы на основе а-Сг, а-, ц-фаз и карбидов М23С6, М6С, снижает механические свойства, но при этом значительное уменьшение содержания хрома приводит к снижению жаростойкости сплавов. Для уменьшения образования ТПУ фаз на первоначальных этапах развития

сплавов увеличивали содержание кобальта (Со) с 5-7 масс.% до 11-12 масс.%. Для современных сплавов наблюдается обратная тенденция, например для сплава МС 653 и МС-КО характерно отсутствие Со.

Добавки титана приводят к образованию фазы у' (М3(Л1,Т1)), обладающей большой упрочняющей способностью и стабильностью, но при этом при повышенном содержании ухудшается жаропрочность и технологическая деформация сплавов. В сплавах последних поколений титана в составе нет.

Легирование гафнием и ниобием позволяет повысить сопротивление ползучести и жаропрочность сплавов [6, 10]. При введении в состав редкоземельных металлов на уровне 0,01...0,05 масс.% существенно снижается диффузия по границам зерен [11] и соответственно возрастает жаропрочность.

Современные методы получения отливок позволяют минимизировать содержание примесей таких элементов как кремний (до 1%), марганец (0,3%), железо (3%) и сера, которые могут существенно снизить пределы текучести идлительной прочности сплавов.

Высокие физико-механические свойства жаропрочных сплавов при высокотемпературном воздействии во многом определяются сложным химическим составом. У большинства жаропрочных никелевых сплавов при комнатной температуре модуль упругости находится в пределах от 126 ГПа до 140 ГПа (кристаллическое направление [001]) и с ростом температуры уменьшается в 2 раза по мере достижения температуры 1200°С [7-8, 12] (рисунок 1.3).

Независимо от производителя и кристаллографического направления для жаропрочных сплавов характерно резкое изменение свойств в температурном интервале 750-900°С (рисунок 1.3). Такое изменение в свойствах объясняется сменой механизма дислокационного скольжения [5,13]. Выше этих температур прочность у' фазы снижается и сплавы проявляют склонность к быстрой потере прочности по мере того, как температура приближается к 1000°С.

ожс-32, аЖС-36, оАМ1, lÍTRene N5

Рисунок 1.3 - Зависимости физико-механических свойств монокристаллических

никелевых сплавов от температуры для кристаллического направления [001] [5, 7-8, 12]

Сопротивление окислению никелевых сплавов, а также долговечность применяемых теплозащитных систем (ТЗП) во многом определяются свойствами формирующегося при высокотемпературном воздействии защитного оксидного слоя (ТВО, в зарубежной литературе TGO - thermally grown oxide). Ниже рассмотрены основные механизмы формирования оксидного слоя на никелевых сплавах.

1.2 Механизмы формирования оксидных слоев при высокотемпературном окислении жаропрочных никелевых сплавов

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Суходоева Надежда Вячеславовна, 2019 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Башев, В. Ф. Структура и свойства высокоэнтропийного сплава CoCrCuFeNiSnx / В. Ф. Башев, А. И. Кушнерев // Физика металлов и металловедение .-2014.- № 7 (115). - С. 737-741.

2. High-Entropy Alloys. Fundamentals and applications / M. C. Gao, et al. -Switzerland:Springer International Publishing, 2016, - 513 p.

3. Безъязычный, В. Ф. Основы обеспечения качества металлических изделий с неорганическими покрытиями: пособие для вузов / В. Ф. Безъязычный,

B. Ю. Замятин. - Москва Машиностроение, 2005. -608 с.

4. Диаграммы состояния двойных металлических систем: в 3-х томах. Т.1, М. - Машиностроение, 1996. - 992 с.

5. Литейное жаропрочные сплавы. Эффект С. Т. Кишкина: научный сборник / под общ.ред. Е. Н. Каблова. - Москва: Наука, 2006. - 272 с.

6. Hoffelher, W. Untersuchung des Mikrogefüges Hf-hältiger Ni-Basis-Superlegierungen / W. Hoffelher, E. Kny, R. Stickler // Mukrochim. Acta. - 1977. -№ 7. - P. 429-439.

7. Raffatin, A. Les Superalliages monocrystal base nickel / A. Raffatin. -Toulouse : CIRAMAT, 2006. - 33 p.

8. High-temperature high-strength nickel base alloys. Supplement. - 1995. -№393. - P. 1 - 22.

9. Davis, J. R. Heat-Resistant Materials: Handbook / J. R. Davis, S. D. Henry. -ASM Specialty The Materials Information Society, 2002. - 591 p.

10. Бурова, Н. П. Структурные особенности никелевых сплавов, легированных титаном / Н. П. Бурова, С. Б. Маслеников // Металловедение и термическая обработка металлов. -1979. - № 5. - С. 19- 22.

11. Бокштейн, С. З. Строение и свойства металлических сплавов /

C. З. Бокштейн, М. Л. Бернштейн. - Москва: Наука, 1971. - 498 с.

12. Шалин, Р. Е. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов / Р.Е. Шалин, И.Л. Светлов, Е.Б.Качанов. - Москва: Машиностроение, 1997. - 336 с.

13. Грабовецкая, Г.П. Влияние легирования рения на деформационное поведение и механические свойства гетерофазных монокристаллов легированного жаропрочного сплава на основе Ni3Al / Г.П. Грабовецкая, Ю.Р. Колобков, В.П. Бунтушкин, Э.В.Козлов // Физическая мезомеханика.-2004. -Т.7. - С. 261-264.

14. Munro, R. G. Evaluated Material Properties for a Sintered a-Alumina / R. G. Munro // Journal of the American Ceramic Society. - 1997. - P. 1919-1928.

15. Monceau, D. Determination of parabolic rate constants from a local analysis of mass-gain curves / D. Monceau, B. Pieraggi // Oxidation of Metals. - 1998. -V. 50 (N5/6). - Р. 477-493.

16. Fedorova, E. N. High-temperature oxidation of Nickel-based alloys and estimation of the adhesion strength of resulting oxide layers / E. N. Fedorova, D. Monceau, D. Oquab, S. A. Khudonogov // Protection of metals and physical chemistry of surfaces. 2011. - Vol. 47( N3). - Р. 347-353.

17. Игнатов, Д.В. О механизме окисления сплавов на основе никеля и хрома / Д.В. Игнатов, Р.Д. Шаигунова. - Москва: Издательство министерства наук СССР, 1960. - 107 с.

18. Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок [Текст] : В 2-х кн. / Под ред. Ч.Т. Симса, Н.С. Столоффа, У.К. Хагеля. Кн. 2 / Пер.с англ. Ю.П. Либерова, А.Б. Цепелева; Под ред. Р.Е. Шалина, 1995. - 383 с.

19. Schutze, M. Protective Oxide Scales and Their Breakdown / M. Schutze. -The Institute of Corrosion and Wiley Series on Corrosion and Protection, 2006. - 165 p.

20. Коломыцев, Петр Тимофеевич. Жаростойкие диффузионные покрытия [Текст] / П.Т. Коломыцев. - Москва : Металлургия, 1979. -271 с.

21. Mennicke, C. The Effect of Yttrium on the Growth Process and Microstructure of a-Al2O3 on FeCrAl // C. Mennicke, E. Schumann, M. Ruiihle, R. J. Hussey, G. I. Sproule, M. J. Graham. - Oxidation of Metals. -1998. - V. 49( 5/6). -P.455-466.

22. Введение в высокотемпературное окисление металлов. Биркс Н., Майер Дж. Пер. с англ./Под ред.УльянинаЕ.А. - Москва: Металлургия, 1987. - 184 с.

23. Zhou, Y. C. Coupled effects of temperature gradient and oxidation on thermal stress in thermal barrier coating system / Y. C. Zhou. T. Hashida // International journal of Solids and Structures. -2001. -No38.-P. 4235-4264.

24. Ali, M. Y. Mechanics of damage initiation and growth in a TBCsyperalloy system / M. Y. Ali et al. // International journal of Solids and Structures. -2001. -No38. -P. 3329-3340.

25. Hille, T. S. Oxide growth and damage evolution in thermal barrier coatings /T. S. Hille et al. // Engineering Fracture Mechanics. -2011. -No78. -P. 2139-2152.

26. Самсонов, Г. В. Физико-химические свойства окислов / Г.В.Самсонов // Москва :Металлургия, 1978.- 472с.

27. Munro, R. G.Evaluated Material Properties for a Sintered-Alumina /R. G. Munro // Journal of the American Ceramic Society. - 1997. -V.80 (8). - P. 1919-1928.

28. Tolpygo, V. K. Spalling failure of a-alumina films grown by oxidation. II. Decohesion nucleation and growth/ V. K. Tolpygo, D. R. Clarke / Materials Science and Engineering. -2000. - A278. -P. 151-161.

29. Evans, H. E. Stress effects in high temperature oxidation of metal/ H. E. Evans // International Materials Reviews. - 1995. - V. 40(1). - P.40.

30. Birks, N. Introduction to the high-temperature oxidation of metals /N. Birks, G. H. Meier, F. S. Pettit // Cambridge University. - 2006. -№2.- P. 338.

31. Wang, J. S. Effect of strain cycling on buckling, cracking and spalling of a thermally grown alumina on a nickel-based bond coat/ J. S. Wang, A. G. Evans // Acta Mater. -1999. -V.47(2). - P. 699-710.

32. Hutchinson, J.W. Growth and configurational stability of circular, buckling-driven film delaminations/ J.W. Hutchinson, M.D. Thouless, E.G.Liniger // Acta metal.mater. - 1992. - V.40(2). - P. 295-308.

33. Bull,S. J. Modeling of Residual Stress in Oxide Scales Oxidation of Metals / S. J. Bull // Acta Mechanica. - 1998. - V. 49. -N1/2. - P. 1-17

34. Nychka, J.A. Surface oxide cracking associated with oxidation-induced grain boundary sliding in the underlying alloy/ J. A. Nychka, C. Pullen, M. Y. He, D. R. Clarke // Acta materialia. - 2004. -V.52(5). -P. 1097-1105.

36. Thery, P.-Y.Adhesion energy of a YPSZ EB-PVD layer in two thermal barrier coating systems / P.-Y. Thery, M. Poulain, M. Dupeux, M. Braccini // Surface & Coatings Technology. - 2007. - V.202.-№4-7.- Р.648-652.

36. Bull,S. J. Failure mode maps in the thin film scratch adhesion test / S. J. Bull // Tribology international. -1997. - V. 30. - N. 7. -P. 491-498.

37. Tolpygo, V. K. Spalling failure of a-alumina films grown by oxidation: I. Dependence on cooling rate and metal thickness / V. K. Tolpygo, D. R. Clarke // Materials Science and Engineering. -2000. - A278. -P. 142-150.

38. Reddy, A D.B.Hovis, A.H.Heuer, A.P.Paulikas, B.W.Veal In site study of oxidation-induced growth strains in a model NiCrAlY bond-coat alloy / A. Reddy, D. B. Hovis, A. H. Heuer, A. P. Paulikas, B. W. Veal // Oxidation of metals. -2007. -V.67. -P. 153-177.

39. Schumann, E. High-temperature stress measurements during the oxidation of NiAl / E. Schumann, C. Sarioglu, J. R. Blachere, F. S. Pettit, G. H. Meier // Oxidation of metals. - 2000. - V.53. - P.259-272.

40. Суходоева (Самарина), Н. В. Анализ механизмов разрушения защитного оксидного слоя при высокотемпературном окислении сплавов на основе железа // Н. В. Суходоева (Самарина) // Сборник трудов11-я Всероссийской молодежной школы-конференции «Современные проблемы металловедения». - Москва: Изд.Дом МИСиС. - 2011. -С. 179-186.

41. Montealegre, M. A. Oxidation behaviour of novel ODS FeAlCr intermetallic alloys / M. A. Montealegre, G. Strehl, J. L. Gonzalez-Carrasco, G. Borchardt // Intermetallics. -2005. - V.13(8). -P. 896-906.

42. Демин. Ф.И. Технолгия изготовления основных деталей газотурбинных двигателей [Электронный ресурс] : учебник / Ф.И.Демин, Н.Д. Проничев, И.Л.Шитарев. - Самара: Изд-во СГАУ, 2012. - 324 с.

43. Литые лопатки газотурбинных двигателей: сплавы, технологии, покрытия / ред.Е. Н. Каблов. - Москва : Наука, 2006. - 632с.

44. Юров, В. М. Влияние ионного облучения на свойства наноструктурных покрытий Zn-Al и Fe-Al / В. М. Юров, Е. Н. Вертягина, С. А. Гученко,Е. Хуанбай // Современные наукоемкие технологии. - 2011. - №5. -С.63-68.

45. Мартынов, М. И. Технология и метрология малоразмерной ионно-лучевой обработки оптических деталей / М. И. Мартынов, Р. А. Михнев, А. П. Семенов, С. К. Штандель // Формообразование оптических поверхностей: труды международной академии «Контенант», Т. 1. Москва : Российское отделение. - 2005. - С. 151-170.

46. Мубояджан, С. А. Эрозионностойкие покрытия из нитридов и карбидов металлов и их плазмохимический сиснтез / С. А. Мубояджан // Российский химический журнал. -2010. -Т.54. -№1. - С. 103-110.

47. Каблов, Е. Н. Перспективы применения в авиадвигателестроении ионной технологии // Е. Н. Каблов, С. А. Мубояджян, А. М. Сулима и др. / Авиационная промышленность. -1992. - №9. - С. 9-12.

48. Каблов, Е. Н. Ионное травление и модифицирование поверхности ответственных деталей машин в вакуумно-дуговой плазме /Е .Н. Каблов, С. А. Мобояджян / Вестник МГТУ им.Н.Э.Баумана, серия Машиностроение. -2011. -БР2. -С. 149-163.

49. Пат. 2029796 Российская Федерация, МПК С 23 С 14/46. Способ комбинированной ионно-плазменной обработки изделий /С.Н. Григорьев ; заявитель и патентообладатель Научно-производственное предприятие «Новатех». - №5049581/21 ; заявл. 26.06.1992 ; опубл. 27.02.1995.

50. Пат. 2078847 Российская Федерация, МПК С23С8/36 Способ ионной обработки деталей машин и инструментов и устройство для его осуществления / Н. В. Плешивцев ;заявитель и патентообладатель Н. В. Плешивцев. -№93036969/02 ; заявл. 22.07.1993; опубл. 10.05.1997.

51. Пат. 2071992 Российская Федерация С23С14/46, Н0Ш7/04 Способ обработки изделий источником ионов / заявитель и патентообладатель Научно-производственное предприятие «Новатех». - №5018360/07 Научно-производственное предприятие "НОВАТЕХ" ;заявл. 24.12.1991 ;опубл. 20.01.1997.

52. Пат. 2370570Российская Федерация С23С 26/00 (2006.01) С23С 14/06 (2006.01) С23С 8/36 (2006.01) Способ комбинированной ионно-плазменной обработки изделий из сталей и твердых сплавов / В.М. Савостиков, С. М.Сергеев, Ю. П. Пинжин ; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования Томский государственный университет. -№ 2008101310/02 ; заявл. 09.01.2008 ;опуюл.20.10.2009 ; Бюл. № 29. - 9с.

53. Пат.2187576Российская Федерация C23C14/38 Установка для нанесения защитных покрытий / С.А.Мубояджян, Е.Н.Каблов, С.А.Будиновский, В.С.Фурин, Я.А.Помелов, С.А. Богатырев; заявитель и патентообладатель Государственное предприятие Всероссийский научно- исследовательский институт авиационных материалов. -№2000123580/02 ; заявл. 14.09.2000 ; опубл. 20.08.2002 ; Бюл.№23

54. Пат. 2415199 Российская Федерация C23C 14/38 (2006.01) Способ нанесения покрытия / С. А.Мубояджян, А. Н. Луценко, Д. А. Александров, Д. С.Горлов ; патентообладатель Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России). - №2009139780/02 ; заявл. 28.10.2009 ;опубл. 27.03.2011 ; Бюл. № 9.

55. Пат.2368701 Российская Федерация C23C14/48 (2006.01) C23C14/06Способ обработки поверхности металлического изделия/С. А.Будиновский, С А. Мубояджян, А.М.Гаямов ;патентообладательФедеральное государственное унитарное предприятие Всероссийский научно -исследовательский институт авиационных материалов. - № 2007141174/02 ; заявл. 08.11.2007 ; опубл. 20.05.2009.

56. Пат.2164550 Российская Федерация C23C 14/48 (2000.01) Способ обработки поверхности изделия / С.А.Мубояджян, Е.Н.Каблов, С.А.Будиновский, Я.А Помелов ; патентообладательВсероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов. - № 99113537/02 ; заявл. 22.06.1999 ; опубл. 27.03.2001 ; Бюл. № 9.

57. Лахтин, Ю. М. Химико-термическая обработка металлов : учебное пособие для вузов / Ю. М. Лахтин, Б. Н. Арзамасов. -Москва : Металлургия, 1985. - 256с.

58. Haynes, J. A. Comparison of thermal expansion and oxidation behavior of various high-temperature coating materials and superalloys / J. A. Haynes et al. // Materials at high temperatures. -2004. -V.21(2). -P. 87-94.

59. Hermosilla, U. Modelling the high temperature behaviour of TBCs using sequentially coupled microstructural-mechanical FE analyses /U. Hermosilla et al. //Materials science and engineering. -2009. - A 513-514. P. 302-310.

60. Самсонов, Г.В. Физико-химические свойства окислов / Г.В. Самсонов, А.Л. Борисова. - Москва :Металлургия, 1978. - 472с.

61. Zhao, Y. Investigation of interfacial properties of atmospheric plasma sprayed thermal barrier coatings with four point bending and computed tomography technique / Y.Zhao et al.// Surface & Coatings Technology. -2012. - V.206(23). -P. 4922-4929.

62. Lim, W. Design and development of a miniaturised tensile testing machine / W. Lim, H-K. Kim // Global Journal of Engineering Education. -2013. - V.15. - N.1. -P. 48-53.

63. Perusin, S. Behaviour of the oxide scale during SEM in situ plastic deformation of pure nickel foil / S. Perusin, B. Viguier, J.C. Salabura, D. Oquab, E. Andrieu // Materials Science and Engineering. - 2004. - P. 387-389.

64. Monceau, D. Thermal Barrier Systems and Multi-Layered Coatings Fabricated by Spark Plasma Sintering for the Protection of Ni-Base Superalloys /D. Monceau, D. Oquab, C. Estournes, M. Boidot, S. Selezneff, N. Ratel-Ramond // Materials Science Forum. - 2010. -V.654-656. - P.1826-1831.

65. Thery, P.-Y. Spallation of two thermal barrier coating systems: experimental stydy of adhesion and energetic approach of lifetime during cyclic oxidation /P.-Y. Thery, M. Poulain, M. Dupeux, M. Braccini // J Mater Sci. -2009. -V.44. -Р.1726-1733.

66. Oquab, D. Oxidation Resistant Aluminized MCrAlY Coating Prepared by Spark Plasma Sintering (SPS) / D. Oquab, C. Estournes, D. Monceau // Advanced engineering materials. - 2007. -V. 9. - N.5. -P. 413-417.

67. Nichols, J.R. Advanced High Temperature Coatings for Gas Turbines / J.R. Nichols, P. Hencock // Industrial Corrosion. - 1987. - №7.-P. 8-17.

68. SPS - технология искрового плазменного спекания / Tokyo Boeki Ltd. -Режим доступа: http://tokyo-boeki.ru/?page_id=548

69. Искровое плазменное спекание / TechnoinfoLtd. Режим доступа: technoinfo. ru/catalog/138. html

70. Тихонов, А.С. Проектирование установки для термоциклических испытаний комплексных многослойных теплозащитных покрытий лопаток газовых турбин / А.С. Тихонов, С.И. Сендюрев, В.Т. Хайрулин // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическаятехника. - 2014. - № 38

71. Каблов, Е.Н. Жаростойкие и теплозащитные покрытия для лопаток турбин высокого давления перспективных ГТД / Е.Н. Каблов, С.А.Мубояджян // Авиационные материалы и технологии. -2012. -С.60-70.

72. Smith, A.B. Vapour aluminide coating of internal cooling channels in turbine blades and vanes /A.B. Smith, A. Kempster, J. Smith // Surface and Coatings Technology. -1999. -№120-121. -Р.112-117.

73. Крымов, В.В., Производство газотурбинных двигателей / В.В.Крымов, Ю.С. Елисеев , К.И.Зудин. - Москва : Машиностроение, 2002- 376с.

74. НестеренкоВ.Г. Конструктивные методы совершенствования системы плёночного охлаждения рабочих лопаток турбин ВРД / В.Г. Нестеренко,А.А. Матушкин //Труды МАИ. -2010. - №39.

75. Smialek J.L. Improved oxidation life of segmented plasma sprayed 8YSZ thermal barrier coatings // Journal of Thermal Spray Technology, 2004, V.13(1), 66-75

76. Fabre,G. Laser shock adhesion test (LASAT) of electron bean physical vapon deposited thermal barrier coatings (EB-PVD TBCs)/ G.Fabre, V.Guipont, M.Jeandinetal. // Adv. Mater. Res. - 2011. -V. 248. - Р. 509-514.

77. Begue, G. Lasdar shock adhesion test (LASAT) of EB-PVD TBCs: Towards an industrial application / G.Begue, G.Fabre, V.Guipont et al.// Surf. Coat.Tech. -2013. - V. 237. -Р. 305-312.

78. Mao, W.G. An experimental investigation on thermo-mechanical buckling delamination failure characteristic of air plasma sprayed thermal barrier coatings / W.G. Mao, C.Y. Dai, Y.C.Zhou, Q.X. Liu // Surface & Coatings Technology. - 2007. -Vol.201(14). - Р. 6217-6227.

79. Begley M. R. Analysis of a wedge impression test for measuring the interface toughness between films/coatings and ductile substrates / M. R. Begley, D. R.Mumm, A. G. Evans, J. W. Hutchinson // Acta Materialia. 2000. - v.48.- №12. - Р. 3211-3220.

80. Suo, Z. Wrinkling of the oxide scales on an aluminum-containing alloy at high temperatures /Z. Suo // J.Mech.Phys. Solids. - 1995. -Vol.43. - N5. - P.829-846.

81. Begley, M.R. Delamination resistance of thermal barrier coatings containing embedded ductile layers / M.R. Begley // Acta Materialia. -2012. -V.60. - P. 2497-2508.

82. Carling K. M. Effects of segregating elements on the adhesive strength and structure of the a-Al2O3/b-NiAl interface / K. M. Carling, E. A. Carter // Acta Materialia. - 2007. -V.55.-№8.-P. 2791-2803.

83. Jiang, Y.First principles assessment of metal/oxide interface adhesion / Y.Jiang, J.R. Smith, A. G. Evans // Applied physics letters. - 2008. -V.92

84. Hutchinson, J. W., Growth and configurational stability of circular, buckling-driven film delaminations / J. W.Hutchinson, M.D.Thouless, E.G. Liniger // Acta Metall. Mater. - 1992. - N 2. - P. 295-308.

85. Bull S.J. An overview of the potential of quantitative coating adhesion measurement by scratch testing / S.J. Bull, E.G. Berasetegui// Tribology International. -2006. -V.39. -P. 99-114

86. Bartsch, M. Fatigue cracks in a thermal barrier coating system on a superalloy in multiaxial thermomechanical testing / M.Bartsch, B.Baufeld, S. Dalkilice, L. Chernova, M.Heinzelmann // International Journal of Fatigue. -2008. -V.30. - P. 211-218.

87. Kim, S.-S. Evaluation of interfacial mechanical properties under shear loading in EB-PVD TBCs by the push out method / S.-S. Kim, Y.-F.Liu, Y. Kagawa // Acta Materialia. - 2007. - V. 55. - P. 3771-3781.

88. Bamba, G. Thermal oxidation kinetics and oxide scale adhesion of Fe-15Cr alloys as a function of their silicon content / G.Bamba, Y.Wouters, A.Galerie, F.Charlot, A.Dellali // Acta Materialia. - 2006.- v.54.- №15.-P. 3917-3922.

89. Xu, T. Observations and analyses of failure mechanisms in thermal barrier systems with two phase bond coats based on NiCoCrAlY / T. Xu, S. Faulhaber, C. Mercer, M. Maloney, A. Evans // Acta Materialia. - 2004. -V. 52. -P. 1439-1450.

90. Mennicke, C. The role of secondary oxide inclusions (pegs') on the spalling resistance of oxide films /C. Mennicke, M.-Y. He, D. R. Clarke, J. S. Smith //Acta mater.-2000. - V.48. - P. 2941-2949

91. Суходоева, Н.В. Определение физико-механических свойств защитного оксидного слоя методом наноиндентирования / Н.В. Суходоева, Е.Н. Федорова, В. Турк, Д. Монсо, Д. Окаб // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. М.Ф.Решетнева. - 2014. - №1 (53). -С. 174-179.

92. Установка для прецизионного травления/напыления GATAN Model 682 (PECS): техн. информация / Gatan, Inc., [сайт]. - USA, 2013. - Режим доступа: http: //www. gatan. com

93. Fedorova, E. Nano-indentation determination of the mechanical properties of the oxide scale formed by high temperature oxidation of Ni-based superalloys / E. Fedorova, [et al.] // Eurocorr, Sept. 9-13, 2012. - Istanbul, 2012.

94. Burnett, P.J. The Mechanical Properties of Wear Resistant Coatings I: Modelling of Hardness Behavior // P. J. Burnett, D.S. Rickerby // Thin Solid Films. -1987. - № 148. - P. 41-50.

95. Attar, F. Adhesion evaluation of thin ceramic coatings on tool steel using the scratch testing technique / F.Attar, T.Johannesson // Surface and Coatings Technology.

- 1996. - v.78.- №1-3.-Р. 87-102.

96. Evans, U.R. An introduction to metallic corrosion /U.R. Evans // Edward Arnold. - 1948. - P.194-195.

97. Evans, H.E. Conditions for the initiation of oxide-scale cracking and spallation / H.E. Evans, R.C. Lobb // Corrosion Science. -1984. - Vol. 24 (3). - P. 209 - 224.

98. Maurel, V. The respective roles of thermally grown oxide roughness and NiAl coating anisotropy in oxide spallation / V. Maurel et al. // Surface & Coatings Technology. -2013. -V. 215. Р. 52-61

99. Liu, W.N. Effect of substrate thickness on oxide scale spallation for solid oxide fuel cells /W.N. Liu et al. //Corrosion Science. -2011. -V. 53. - Р.2406-2412

100. Shinozaki, M. A methodology, based on sintering-induced stiffening, for prediction of the spallation lifetime of plasma-sprayed coatings / M.Shinozaki et al.// Acta Materialia. -2013. -V.61. -Р. 579-588

101. Shin, I.-H.Estimation of spallation life of thermal barrier coating of gas turbine blade by thermal fatigue test/I.-H. Shin et al. // Surface & Coatings Technology.

- 2011. -V. 205. -Р. S157-S160

102. Hayashi, A. N. Spallation Behavior of Oxide Scale on Stainless Steels / A. Hayashi, N. Hiraide, Y. Inoue // Oxid Met. - 2016. V.85. - Р. 87-101

103. Zhu, C. Effect of cooling rate and substrate thickness on spallation of alumina scale on Fecralloy /C. Zhu, X.Zhao, I.S.Molchan, G.E.Thompson, G.Liang, P. Xiao // Materials Science and Engineering A. - 2011.-Vol.528. - P.8687-8693.

104. Pint, B.A. The oxidation behavior of ODS iron aluminides /B.A. Pint, P.F. Tortorelli, I.G. Wright // Materials and Corrosion. -1996. V. 47. - Р. 663-674

105. Evans,H.E. Creep effects on the spallation of an alumina layer from a NiCrAlY coating / H.E.Evans, A.Strawbridge et al. // Materials Science and Engineering A. -1997. -Vol.225. -P.1-8.

106. Москвичев, В.В. Оценка энергии адгезии в системе металл/оксид для случая высокотемпературного окисления жаропрочных никелевых сплавов /В.В. Москвичев, Н.В. Суходоева, Е.Н. Федорова // Деформация и разрушение материалов. - 2017. - №2. -С.34-40

107. Bernard, O. Mechanical and microstructural characterisation of oxide films damage / O.Bernard, G.Amiri et al // Materials Science and Engineering A. -2002. -vol. 335.- №1, 2. - Р.32-42.

108. Jorgensen, D.J. Bond coatings with high rumpling resistance: Design and characterization / D.J. Jorgensen, A. Suzuki, D. M. Lipkin, T. M. Pollock // Surface & Coatings Technology. -2016. -V.300. Р 25-34

109. Берлин, Е.В. Плазменная химико-термическая обработка поверхности стальных деталей /Е.В. Берлин, Н.Н. Коваль, Л.А. Сейдман. - Москва: Техносфера, 2012, - 464 с.

110. Игнатов, Д.В. О механизме окисления сплавов на основе никеля и хрома. / Д.В. Игнатов, Р.Д. Шаигунова. - Москва :Издательство министерства наук СССР, 1960.- 107 с.

111. Тимошенко,C.n. Механика материалов: Учебник для вузов. 2-е изд. Москва: Лань, 2002. - 672 с.

112. Sergo, V. Observation of subcritical spall propagation of a thermal barrier coating / V. Sergo, D. R. Clarke //Journal American Ceramic Society. - 1998. -Vol. 81(12).-Р.3237-3242

113. Oliver, W.C., An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments / W.C. Oliver, G.M. Pharr // Mat. Res.- 1992. - vol.7.-№6.-P. 1564-1583.

114. Zhao, X. Determination of mechanical properties of thermally grown oxide on Fecralloy by nano-indentation / X.Zhao, P. Xiao // Thin Solid Films. -2007. -vol.515.-№23. -Р. 8393-8401.

115. Головин, Ю.А. Наноиндентирование и его возможности. /Ю.А. Головин - Москва : Машиностроение, 2009. -312 с.

116. Zotov, N., Thermal barrier coating systems — analysis of nanoindentation curves /N. Zotov, M.Bartsch, G. Eggeler // Surface & Coatings Technology. - 2009. -vol.203.- №14. -Р. 2064-2072.

117. Yan, J. On stresses induced in a thermal barrier coating due to indentation testing / J.Yan, A. M. Karlsson, M.Bartsch , X.Chen // Computational Materials Science. - 2009.-V.44. -Р.1178-1191

118. Rico, A. Mechanical properties of thermal barrier coatings after isothermal oxidation. Depth sensing indentation analysis /A. Rico, J. Gómez-García, C.J. Múnez, P. Poza, V. Utrilla // Surface & Coatings Technology. - 2009. - 203. -Р.2307-2314

119. Wellman, R.G. Nano and microhardness testing of aged EB PVD TBCs / R.G. Wellman, H. Tourmente, S. Impey, J.R. Nicholls // Surface & Coatings Technology. -2004. -Р. 188-189

120. Fedorova E. N. High-temperature oxidation of Nickel-based alloys and estimation of the adhesion strength of resulting oxide layers / E. N. Fedorova, D. Monceau, D. Oquab, S. A. Khudonogov // Protection of metals and physical chemistry of surfaces. - 2011. - Vol. 47. -No. 3. -Р. 347-353

121. Fedorova, E, Quantification of growth kinetics and adherence of oxide scales formed on Ni-based superalloys at high temperature/ E Fedorova, E, D.Monceau, D. Oquab // Corrosion Science. 2010. -vol.52.-- №12. - Р. 3932-3942.

122. Инозенцев, А.А. Газотурбинные двигатели / А. А. Инозенцев, В.Л.Сандрацкий ОАО "Авиадвигателей" Пермь : 2006. -1204 с.

123. Чичков, Б.А. Рабочие лопатки авиационных ГТД Часть 1. Эксплуатационная повреждаемость рабочих лопаток. Москва, Московский государственный технический университет гражданской авиации - 73 с.

124. Кишалов, А. Е. Анализ нагрузок, действующих на элементы конструкции ГТД / А. Е. Кишалов, В. М.Кудоярова, К. В.Маркина, О. И. Игнатьев // Молодой ученый. — 2012. — №11. — С. 52-60.

125. Тихонов, А.С. Проектирование установки для термоциклических испытаний комплексных многослойных теплозащитных покрытий лопаток газовых турбин/А.С. Тихонов, С.И.Сендюрев, В.Т.Хайрулин // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2014. №38, С. 61-70.

126. Shillington, E.A.G.Spalling failure od a thermal barrier coating associated with aluminum depletion in the bond-coat / E.A.G.Shillington, D.R.Clarke// Acta mater. -1999.-V.47. -No 4. -Р.1297-1305.

127. Yanar, N.M. Comparison of the Failures during Cyclic Oxidation of Yttria-Stabilized (7 to 8 Weight Percent) Zirconia Thermal Barrier Coatings Fabricated via Electron Beam Physical Vapor Deposition and Air Plasma Spray /N.M. Yanar, M. Helminiak, G.H. Meier, F.S. Pettit // MetallurgicaL and Materials Transactions A. -V. 42A.-F.2011—905

128. Naumenko, D. Failure mechanisms of thermal barrier coatings on MCrAlY-type bondcoats associated with the formation of the thermally grown oxide / D.Naumenko, V. Shemet, L.Singheiser, W. J. Quadakkers // J Mater Sci. -2009. -V. 44. -Р.1687-1703.

129. Giolli, C. Failure Mechanism for Thermal Fatigue of Thermal Barrier Coating Systems / C. Giolli, A. Scrivani, G. Rizzi, F. Borgioli, G. Bolelli, L. Lusvarghi // Journal of Thermal Spray Technology. -2009. -V.18(2). -Р. 223-230.

130. Karlsson, A. M. Modeling Failures of Thermal Barrier Coatings / A. M. Karlsson // Fabrication and Applications. -2007. - V.333. - Р. 155-165

131. Song, P. Influence of Material and Testing Parameters on the Lifetime of TBC Systems with MCrAlY and NiPtAl Bondcoats / P.Song. - Shandong, China. -Genehmigte Dissertation, 2011. -126р.

132. Miller, R.A. Oxidation-Based Model Thermal-Barrier Coating Life / R.A. Miller, J. Amer // Ceramic Society. - N8. - 1984. - p.517-521.

133. Renusch, D. Progress in life time modeling of APS-TBC Part I: residual, thermal and growth stresses including the role of thermal fatigue / D. Renusch, H. Echsler and M. Schütze // Materials at high temperatures. -2004. -V.21(2). -P. 65-76

134. Mumm, D.R. On the role of imperfections in the failure of a thermal barrier coating made by electron beam deposition / D.R. Mumm and A.G. Evans // Acta Materialia. -2000. - 48.-P. 1815-1827.

135. Audigie, P. Cyclic Oxidation Behavior of TBC Systems with a Pt-Rich c-Ni+c0 -Ni3Al Bond-Coating Made by SPS / P. Audigie, S. Selezneff, A.R.Put, C. Estourne's, S. Hamadi, D. Monceau// Oxid Met. -2014. N. 81. P. 33-45.

136. Evans, A. G. Mechanics-based scaling laws for the durability of thermal barrier coatings / A. G. Evans, M. Y. He, J. W. Hutchinson // Progress in Materials Science - 2001 - № 46 - C.249-271.

137. Yu, Q. M. Effect of material properties on residual stress distribution in thermal barrier coating /Q. M. Yu , Q. He // Ceramics International. 2018.- V. 44. -P. 3371-3380.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Методические рекомендации по определению работы адгезии защитных оксидных слоев на поверхности жаропрочных и жаростойких сплавов

методом склерометрии

Методические рекомендации. Определение работы адгезии защитных оксидных слоев на поверхности жаропрочных и жаростойких сплавов методом склерометрии / сост.: Е.Н.Федорова, В.В.Москвичев, Н.В.Суходоева - Красноярск: ФГАОУ ВО СФУ, СКТБ «Наука» ИВТ СО РАН. - 2018. - 7 с.

1. РАЗРАБОТАНЫ Федеральным государственным автономным образовательным учреждением высшего образования «Сибирский федеральный университет» (ФГАОУ ВО «СФУ») и Красноярским филиалом Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института вычислительных технологий Сибирского отделения Российской академии наук - Специальным конструкторско-технологическим бюро «Наука» (СКТБ «Наука» ИВТ СО РАН) (к.т.н. Е.Н.Федорова, д.т.н. В.В.Москвичев, Н.В.Суходоева).

2 ПРЕДНАЗНАЧЕНЫ для лиц, проводящих испытания на адгезию защитных оксидных слоев, формирующихся на поверхности жаропрочных и жаростойких сплавов во время высокотемпературного окисления.

© СКТБ «Наука» ИВТ СО РАН, 2018 © ФГАОУ ВО СФУ, 2018

1 Область применения

Настоящие рекомендации устанавливают метод определения работы адгезии при скретч-испытаниях (метод склерометрии) и распространяются на защитные оксидные слои, которые формируются на поверхностях жаропрочных и жаростойких сплавов во время высокотемпературного окисления. Рекомендации соответствуют стандартам ASTM C1624, ISO 20502 и ISO EN 1071.

В отличии от стандартизированных методов определения прочности адгезии, данный метод не предъявляет строгих требований к форме и размеру образцов, за исключением требований плоскопараллельности поверхностей образцов. Скретч-испытания являются экспресс методом оценки прочности адгезии, не требующими дополнительной подготовки образцов. Метод исключает влияние припоев, эпоксидных смол и др.материалов, применяющихся при стандартных испытаниях на адгезию (ГОСТ 15140-78, ГОСТ 28574-14, ГОСТ 27890-88 и др.).

2. Обозначения

В настоящих рекомендациях использованы следующие термины и обозначения:

1 Критическая нагрузка при испытаниях (Fnc, Н) - нагрузка, при которой происходит первое отслоение/разрушение оксидного слоя покрытия, фиксируется с помощью сигнала акустической эмиссии, при скачкообразном изменении силы трения (Ft, Н)

2 Коэффициент трения при критической нагрузке (цс) - отношение силы трения (Ftc) к критической нагрузке (Fnc).

3 Ширина канавки при критической нагрузке (dc, мкм) - определяется в зоне, очевидного разрушения оксидного слоя путем измерения с помощью оптического микроскопа.

4 Толщина оксидного слоя (Иокс, мкм)

5 Модуль Юнга оксидного слоя (Еокс, ГПа)

6 Коэффициент Пуассона (уокс)

7 Работа адгезии

(W, Дж/м2) - в упругой области численно равна энергии адгезии или интенсивности высвобождения упругой энергии.

3. Основные положения

Определение работы адгезии может быть проведено с использованием следующих режимов приложения нагрузки:

1) однопроходное царапание при увеличивающейся или уменьшающейся нагрузке;

2) однопроходное царапание при постоянной нагрузке;

3) царапание нескольких параллельных одиночных канавок с увеличением нагрузки;

4) царапание нескольких одиночных параллельных канавок при постоянной нагрузке.

Максимальная нагрузка может варьироваться от 0,3 до 100 Н, с соответствующим

разрешением по силе 0.15, 1.5 и 15 мН. Скорость нагружения может изменятся от 1Н/мин до 100Н/мин, скорость нанесения царапины от 0,4 мм/мин до 600 мм/мин.

Для нанесения канавок длиной от 0,4 до 600 мм могут быть использованы следующие типы инденторов: алмазный индентор Роквелла, индентор Викерса, индентор Берковича и сферический индентор различного радиуса.

Для определения работы адгезии тонких защитных оксидных слоев рекомендовано применять алмазный конусный индентор типа «Роквелл С» с радиусом полусферического

наконечника Я=200 мкм в условиях непрерывно возрастающей нагрузки на индентор (Рп) от 1 до 100 Н. Рекомендованная скорость нагружения 50 Н/мин, длина канавки 3 мм.

4. Сущность метода

Образец с защитным оксидным слоем размещается на столике под индентором. В процессе испытания координатный столик с образцом перемещается с постоянной скоростью, нагрузка на индентор увеличивается линейно. Тест заканчивается при достижении заданной конечной нагрузки, затем происходит автоматическое снятие нагрузки. После завершения испытаний, программа отображает полученные экспериментальные параметры. О нагрузке, при которой происходит разрушение защитного оксидного слоя, свидетельствует скачкообразное изменение силы трения. Эта нагрузка разрушения подтверждается путем обработки результатов сигнала акустической эмиссии и изображений, полученных при использовании оптического микроскопа.

5. Аппаратура

Для проведения испытаний применяют установки типа Revetest CSM Instruments (рисунок 1). Установка для испытаний должна быть оснащена:

- узлом нагружения;

- прецизионным датчиком для регистрации перемещения индентора;

- системой обратной связи между датчиком перемещения и силовым узлом;

- программным обеспечением для управления и анализа экспериментальных данных;

- сменным индентором;

- датчиком измерения глубины;

- датчиком акустической эмиссии;

- оптической системой визуализации ( оптический микроскоп с x5 на x100, CCD USB2.0 камера);

- системой движения многокоординатного столика (по осям X, Y и Z).

Рисунок 1 - Установка для скретч-испытаний: схематическое представление и пример

установки, размещения образца

Установка должена располагаться на антивибрационном столе в помещении, изолированном от механических вибраций.

Во время испытаний прибор должны обеспечиваться следующие требования:

- плавное непрерывное увеличение нагрузки на индентор;

- стандартное разрешение перемещения столика по X иY: 0.25 мкм по каждой оси;

- точность перемещения 1 мкм по каждой оси;

- защита от возможных вибраций.

Перед началом испытаний проводится эталонное тестирование на образце плавленого кварца, характеризующегося отсутствием масштабного эффекта и деформационного упрочнения поверхности. До и после проведения тестирования проводится очистка индентора и координатного столика спиртом высокой чистоты.

Образцы жаропрочных сплавов, подвергнутые предварительному высокотемпературному оксилению для формирования защитного оксидного слоя и имеющие плоскопараллельные поверхности, устанавливаются на предметный столик перпендикулярно к оси индентора. Образцы закрепляют в держателе строго перпендикулярно к направлению индентирования.

Поверхность исследуемых образцов с защитным оксидным слоем или жаростойким покрытием должна быть плоской, без загрязнений.

7. Проведение испытаний

Испытания проводят при температуре (20±5) °С. К исследуемой поверхности подводят индентор. Предметный столик перемещают, постепенно увеличивая нагрузку, так что на поверхности формируется канавка переменной глубины

С помощью датчиков и соответствующего программного обеспечения регистрируются: прикладываемая нагрузка (Рп), сила трения (Б1;), глубина проникновения индентора, коэффициент трения и сигнал акустической эмиссии (АЕ) (рисунок 2).

На поверхность защитного оксидного слоя наносится серия канавок (минимум 5 канавок) для необходимой статистической достоверности результатов. Расстояние от оси канавки до края поверхности должно быть не менее двойной ширины ё следа от индентора. Расстояние

6. Подготовка к испытаниям

С

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Длина канавки, мм

Рисунок 2 - Пример отображения экспериментальных данных

между центральными осями нескольких смежных канавок на одной поверхности, должно быть не менее 3й.

Момент удаления оксидного слоя или покрытия фиксируется с помощью оптического микроскопа. При этом также фиксируются критическая нагрузка (Рис), соответствующая первому отслоению, коэффициент трения ¡лс и глубина канавки.

При критической нагрузке производятся измерения ширины следа канавки ёс. Ширину измеряют в месте первого отслоения таким образом, чтобы одна из нитей винтового окулярного микрометра совпадала с границами следа при фокусировке микроскопа на испытуемом защитном оксидном слое без учета наплывов.

При достижении максимально заданной нагрузки (после прохождения заданной длины царапины) нагрузка снимается и предметный столик перемещается в начальное положение, одновременно производится измерение восстановленной глубины царапины.

8. Обработка результатов

Протокол измерений должен содержать:

- дату и время проведения испытаний;

- информацию, необходимую для идентификации образца;

- информацию о материале и форме индентора;

- скорость и величину прилагаемой нагрузки;

- число испытаний;

- результаты измерений (таблица 2).

Таблица 2 - Экспериментальные результаты измерений

№ № Критическая Коэффициент Ширина Толщина оксидного

образца измерения нагрузка, Г„с трения цс канавки йс слоя Ъокс

1

2

1 3

4

5

Работу адгезии рекомендуется вычислять по формуле [1]:

Ж =

2

_С КксМсЕ | . 1

I 2Е_А„ ф

окс окс

где уокс - коэффициент Пуассона; Еокс - модуль упругости (Юнга) оксидного слоя или жаростойкого покрытия (считается известным).

Выражение (1) при расчете работы адгезии учитывает не только нормальные напряжения, но и напряжения, возникающие при движении индентора (сдвиговые напряжения), являющиеся основной причиной разрушения защитного оксидного слоя.

Оценка измеряемой величины работы адгезии по результатам сретч-испытаний проводится согласно ГОСТ Р 8.736-2011 путем расчета средних значений и определения границ доверительного интервала [2]. Среднее арифметическое значение определяется по формуле:

1 "

х = — ^х,.

n

i=1

(2)

где n - число измерении.

Среднеквадратическое отклонение равно:

£ (x - Xi )2

i—1

n(n -1)

Окончательный результат представляется в виде:

х = х±S-

(3)

(4)

Список литературы

1. Attar, F. Adhesionevaluationofthinceramiccoatingsontoolsteelusingthescratchtestingtechnique/ F. Attar, T. Johannesson // Surface and Coatings Technology. - 1996. - V.78. - №1-3. -Р. 87-102.

2. ГОСТ Р 8.736-2011 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения. - Введ. 01.01.2013. - Москва : Стандартинформ, 2013 - 20с.