Повышение долговечности лопаток турбин газотурбинных двигателей нанесением модифицированных комбинированных покрытий системы Ni-Al-Cr тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Терехин, Андрей Михайлович

• Терехин, Андрей Михайлович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Терехин, Андрей Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ

ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1. Анализ способов получения защитных покрытий на лопатках турбин газотурбинных двигателей

1.2. Составы и структуры жаростойких покрытий

1.3. Влияние покрытий на долговечность лопаток турбин газотурбинных двигателей

1.4. Выводы

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Материалы исследований

2.2. Методы исследований

2.2.1. Методика металлографического исследования

2.2.2. Методика рентгенографического исследования

2.2.3. Методика испытания покрытий на жаростойкость

2.2.4. Методика ог{енки пластичности при статических испытаниях

2.2.5. Методика оценки пластичности при динамическом нагруэ/сении

2.2.6. Методика испытания на термостойкость покрытий

2.2.7. Методика испытаний механических свойств

2.2.8. Методика определения поверхностных остаточных напряжений

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ

МОДИФИЦИРОВАННОГО КОМБИНИРОВАННОГО

КОНДЕНСАЦИОННО-ДИФФУЗИОННОГО ПОКРЫТИЯ

3.1. Разработка технологии получения конденсационного покрытия

3.2. Разработка технологии нанесения диффузионного покрытия

3.3. Анализ состава и структуры модифицированного комбинированного кондеисационно-диффузиопного покрытия

3.4. Выводы

ГЛАВА 4. БАРОТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЛОПАТОК ТУРБИНЫ

ИЗ СПЛАВОВ ЖС6У-ВИ И ЖС32-ВИ

4.1. Исследование влияния горячего изостатического прессования на структуру жаропрочных сплавов

4.2. Анализ механических свойств сплава ЖС6У-ВИ после горячего изостатического прессования

4.3. Отработка режимов баротермической обработки покрытий на сплавах ЖС6У-ВИ и ЖС32-ВИ

4.4. Исследование влияния баротермической обработки на структуру покрытий

4.5. Выводы

ГЛАВА 5. СВОЙСТВА СПЛАВОВ ЖС6У-ВИ И ЖС32-ВИ С

ПОКРЫТИЯМИ

5.1 Сравнительная жаростойкость покрытий на сплавах

ЖС6У-ВИ и ЖС32-ВИ

5.2. Механические свойства сплавов ЖС6У-ВИ и ЖС32-ВИ с покрытиями

5.3. Выводы

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА СПОСОБА ЗАЩИТЫ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ

АЛИТИРОВАНИИ ГАЗОВЫМ ЦИРКУЛЯЦИОННЫМ СПОСОБОМ

6.1. Выводы

ГЛАВА 7. ПРОМЫШЛЕННАЯ АПРОБАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ МОДИФИЦИРОВАННОГО КОМБИНИРОВАННОГО КОНДЕНСАЦИОННО-ДИФФУЗИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА ЛОПАТКАХ ТУРБИНЫ ДВИГАТЕЛЯ АЛ-31Ф 7.1. Технико-экономическое обоснование внедрения разработанного конденсационно-диффузионного покрытия ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение долговечности лопаток турбин газотурбинных двигателей нанесением модифицированных комбинированных покрытий системы Ni-Al-Cr»

Лопатки газовых турбин работают в сложных условиях воздействия циклических изменяющихся высоких температур и напряжений, вызывающих термомеханическую усталость материалов, а также коррозионно-эррозионного разрушения поверхностного слоя скоростным газовым потоком. В газовой среде нередко содержатся агрессивные компоненты, вызывающие образование на поверхности лопаток солевого осадка и резкое увеличение скорости разрушения поверхностного слоя металла. Энергетические машины обычно работают на топливе, содержащем повышенную концентрацию серы, которая приводит к постепенному накоплению на поверхности осадка соли и протеканию сульфидной коррозии. В составе используемых топлив нередко присутствуют ванадий, легкоплавкие оксиды которого вызывают катастрофическое разрушение поверхностного слоя лопаток газовых турбин.

Защита лопаток турбин от разрушающего воздействия газового потока является важнейшим условием обеспечения их высокой надежности. Механическое воздействие газового потока на лопатки турбин характеризуется значительной неоднородностью температурного поля, напряжений и деформаций, многократного приложения нагрузок. Повышенная шероховатость поверхности детали, наличие твердых и жидких частиц в газовом потоке усиливают его эрозионное воздействие. Начало обстоятельному научному анализу процессов разрушения металлов, контактирующих с газовой средой, положил выдающийся русский ученый Д.К. Чернов, который указал на особую роль тонких поверхностных слоев в образовании очагов разрушения деталей.

Большой вклад в развитие теории и практики повышения долговечности лопаток турбин авиадвигателей путем применения высокотемпературных диффузионных покрытий внесли ученые Военной Воздушной Инженерной Академии им. Н.Е. Жуковского (ВВИА им. Н.Е. Жуковского) и Московского Государственного Технического Университета им. Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана).

Для защиты лопаток турбин от химического разрушения поверхностного слоя газовым потоком широкое применение нашли высокотемпературные покрытия.

В турбостроении на лопатках газовых турбин широко применяются две группы покрытий - диффузионные и конденсационные. Конденсационные по-крьггия получают способами плазменного, вакуумно-плазменного, магнетрон-ного или электронно-лучевого напыления из слитков или брикетов, представляющих собой металлические сплавы для покрытий или керамические спеченные материалы для защиты от теплового потока., Диффузионные покрытия получают контактным или бесконтактным способами. Важнейшим преимуществом диффузионных покрытий является возможность защиты от газовой коррозии труднодоступных поверхностей охлаждаемых лопаток газовых турбин (полости, щели, каналы, отверстия перфорации).

Положительный эффект дает применение двухстадийных технологий, когда на первом этапе осаждают кобальт, хром, платину, палладий, сплавы на никелевой основе, легированные тугоплавкими (рений, вольфрам, тантал) и легкоокисляющимися элементами (иттрий, кремний, гафний, иттербий, эрбий и др.), а на втором этапе проводят диффузионное алитирование или хромоалити-рование. Такие технологии обеспечивают реализацию комплексного легирования поверхностных слоев деталей и покрытий, получение более высокой долговечности деталей, работающих в экстремальных условиях эксплуатации.

Применение защитных покрытий позволяет увеличить ресурс лопаток в 3-10 раз. Такой высокий эффект достигается при правильном выборе технологий и химического состава покрытий для конкретных условий эксплуатации газовых турбин.

Целью работы являлось повышение долговечности рабочих лопаток турбины газотурбинных двигателей путем разработки нового комбинированного конденсационно-диффузионного покрытия и применения баротермической обработки.

Задачи, решаемые в данной работе:

1. Анализ причин недостаточной долговечности лопаток газовых турбин при их эксплуатации на двигателях.

2. Анализ способов повышения долговечности лопаток газовых турбин путем применения защитных покрытий.

3. Разработка нового конденсационно-диффузионного покрытия системы (№-А1-Сг) путем дополнительного легирования их Та, \¥, Ш, 81, У.

4. Исследование возможности повышения долговечности лопаток турбин с покрытием путем применения баротермической обработки.

5. Исследование химического и фазового состава и структуры комбинированного конденсационно-диффузионного покрытия системы (№-Сг-А1-Та-\У-Н^-У).

6. Исследование защитных свойств разработанных покрытий.

7. Решение проблемы ремонтопригодности газо-циркуляционных покрытий.

Научная новизна.

1. Впервые доказана роль баротермической обработки как фактора управления структурой и свойствами алюминидного покрытия.

2. В алюминидном покрытии при баротермической обработке наблюдается уменьшение микропористости, поры размером менее 0,8 мкм залечиваются.

3. Установлено увеличение ширины линии рентгеновского рассеяния и величины упругих деформаций в фазе Р~№А1 при баротермической обработке в 1,4-1,5 раза.

4. Баротермическая обработка алюминидных покрытий на основе фазы (3-№А1 вызывает пластическую деформацию при температуре выше температуры хрупкости и сопровождается протеканием рекристаллизационных процессов, изменяющих столбчатую форму зерен Р-фазы и уменьшающих их размеры.

5. Установлены закономерности изменений состава, структуры и свойства конденсационно-диффузионного покрытия при воздействии- температур и внешних нагрузок.

Практическая значимость.

Разработана опытно-промышленная технология нанесения комбинированного конденсационно-диффузионного покрытия на охлаждаемые лопатки газовых турбин.

Определены режимы и последовательность операций вакуумно-плазменного напыления сплава системы №-Сг-А1-Та-\У, легированного микродобавками НГ, и У (сплав СДП-ТВГ), алитирования газовым циркуляционным способом, термовакуумной и баротермической обработки, и вакуумно-плазменного напыления сплава системы А1-8ьУ (сплав ВСДП-11), обеспечивающие формирование на внешней и внутренней поверхностях лопаток покрытий, заданных толщины, химического состава, структуры и свойств. Структурные изменения в алюминидных покрытиях при баротермической обработке улучшают трещиностойкость и термостойкость лопаток газовых турбин.

Для промышленного использования на лопатках перспективных газотурбинных двигателей с повышенными температурами и ресурсом рекомендуется следующая технологическая схема:

Разработана опытная промышленная технология защиты замков лопаток газовых турбин от насыщения при газовом алитировании и хромоалитирова-нии.

Автор выражает благодарность сотрудникам Федерального Государственного Унитарного Предприятия «Московский Машиностроительное Производственное Предприятие «Салют» (ФГУП «ММПП «Салют»), в особенности: коллективу ОТОиЗП УГМет под руководством Шкретова Ю.П. за неоценимую помощь в организационной и практической стороне данной работы, коллективу ЦЗЛ за помощь в проведении металлографических исследований; коллективу кафедры «Материаловедения и технологии» ВВИА им. Н.Е. Жуковского за помощь в анализе пластических свойств покрытий. Также автор благодарит д.т.н., профессора Абраимова Н.В., к.т.н. Орлова М.Р. и к.т.н. Симонова В.Н. за ценные консультации по широкому спектру вопросов.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Терехин, Андрей Михайлович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан новый экономически выгодный способ повышения долговечности лопаток газовых турбин путем применения комбинированного кон-денсационно-диффузионного покрытия системы Ni-Al-Cr, модифицированного Та, W, Hf, Si, Y.

Для промышленного использования рекомендуется следующая последовательность технологических операций: напыление подслоя системы Ni-Al-Cr-Ta-W-Hf-Si-Y в течение 60. 100 мин —> алитирование газовым циркуляционным способом по режиму: Т = 1000°С, т = 3.4 ч —» баротермическая обработка по режиму: Т = 1000°С, т = 3 ч, р = 50.60 МПа -> напыление слоя системы Al-Si-Y в течение 15.20 мин.

2. Современными методами физико-химического анализа исследованы химический состав, строение покрытий, распределение элементов по толщине покрытия.

Установлено, что баротермическая обработка сплава ЖС32-ВИ с алю-минидным покрытием при температуре 1000 °С и давлении от 30 до 180 МПа не вызывает заметных структурных изменений в самом сплаве. При этом, в алюминидном покрытии наблюдается уменьшение микропористости, поры размером менее 0,8 мкм залечиваются.

Установлено увеличение ширины линии рентгеновского рассеяния и величины упругих деформаций в фазе P-NiAl при баротермической обработке в 1,4 - 1,5 раза. Баротермическая обработка алюминидных покрытий на основе фазы (З-NiAl вызывает пластическую деформацию при температуре выше температуры хрупкости и сопровождается протеканием рекристаллизационных процессов, изменяющих столбчатую форму зерен Р-фазы и уменьшающих их размеры.

3. Установлены защитные свойства разработанных конденсационно-диффузионных покрытий при воздействии окислительной среды и термомеханических нагрузок. Установлено, что по жаростойкости при температуре 1050°С новое покрытие превосходит диффузионное хромоалитированное покрытие в 2,5 . 3 раза. Получено двукратное увеличение термостойкости нового комбинированного покрытия в сравнении с серийным хромоалитированным покрытием, покрытием с подслоем сплава системы №-Сг-А1-У с последующим газовым алитированием и покрытием слоем системы А1-8ьУ.

4. Применение баротермической обработки повышает пластичность покрытия в 1,5 раза, трещиностойкость в 3 раза, термостойкость в 2 раза.

5. Установлены механические свойства сплавов ЖС6У-ВИ, ЖС32-ВИ и лопаток ротора ТВД из этих сплавов с комбинированным покрытием, которые по своим показателям превышают требования действующей нормативно-технической документации.

6. Разработан способ локальной защиты поверхности лопаток от насыщения при алитировании (хромоалитировании) газовым циркуляционным способом, позволяющий использовать газоциркуляционные покрытия при ремонте лопаток.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Терехин, Андрей Михайлович, 2008 год

1. Елисеев Ю.С., Абраимов Н.В. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. М.: Интермет Инжиниринг, 2001. - 622 с.

2. Абраимов Н. В. Высокотемпературные материалы и покрытия для газовых турбин. -М.: Машиностроение, 1993. — 336 с.

3. Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов в активизированных газовых средах. М.: Машиностроение, 1979. - 224 с.

4. Елисеев Ю. С., Абраимов Н. В., Крымов В. В. Химико-термическая обработка и защитные покрытия в авиадвигателестроении. — М.: Высшая школа, 1999.-544 с.

5. Коломыцев П. Т. Высокотемпературные защитные покрытия для никелевых сплавов. М.: Металлургия, 1991. — 237 с.

6. Лесников В., Кузнецов В. Технология получения газоциркуляционных покрытий // Газотурбинные технологии. 2000. - С. 26-30.

7. Мовчан Б.А., Малашенко И.С. Жаростойкие покрытия, осаждаемые в вакууме. Киев: Наукова думка, 1983. - 256 с.

8. Мубояджан С.А., Каблов E.H., Будиновский С.А. Вакуумно-плазменная технология получения защитных покрытий из сложнолегированных сплавов//МиТОМ.- 1995,-№2.-С. 15-18.

9. Никитин В. И. Коррозия и защита лопаток газовых турбин. — Л.: Машиностроение, 1987. — 272 с.

10. Строганов Г.Б., Чепкин В.М., Терентьева B.C. Жаростойкие покрытия для газовых турбин. М.: Навигатор-экстра, 2000. - 211 с.

11. Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1995. — 420 с.

12. Тамарин Ю. А. Жаростойкие диффузионные покрытия лопаток ГТД. М.: Машиностроение, 1978. - 136 с.

13. Chaki Т.К., Singht A.K., Sadananda К. Effect of CoCrAlY coating on microstructural stability and creep behavior of a nickel-base superalloy. // Thin solid films. 1989. - № 168. - P. 207-220.

14. Физическое металловедение: В 3 т. Пер. с англ. / Под ред. Кана Р.У., Хаазена П.Т. — М.: Металлургия, 1987 / Т. 2: Фазовые превращения в металлах и сплавах и сплавы с особыми физическими свойствами 624 с.

15. Хаюров С.С. Горячее из о статическое уплотнение отливок. // Зарубежная техника. 1985. - № 3. - С. 43-54.

16. Влияние ГИП на жаростойкое покрытие лопаток из сплава ЖС6У / A.B. Логунов, С.Ф. Маринин, В.А. Поклад и др. // Международная конференция по горячему изостатическому прессованию, 2002: Тезисы докладов. М.: изд. ВИЛС, 2002. - С. 28 - 29.

17. Обработка давлением гранулированных жаропрочных сплавов / М.З. Ерманок, Ю.П. Соболев, Г.М. Кулешов и др. // Процессы обработки легких и жаропрочных сплавов. М.: Наука, 1981. - С. 218 — 226.

18. Митхэм Ж.В. Технология производства жаропрочных сплавов и ее вклад в развитие газотурбинных двигателей // Жаропрочные сплавы для газовых турбин: Материалы международной конференции. М.: Металлургия, 1981. - С. 452-470.

19. Жаропрочность литейных никелевых сплавов и защита их от окисления / Б.Е. Патон, A.B. Логунов, Кишкин Г.Б. и др. Киев: Наукова думка, 1987. - 256 с.

20. Прогнозирование влияния структурных факторов на механические свойства жаропрочных сплавов / A.B. Логунов, Н.В. Петрушин, Е.А. Кулешова и др. //МиТОМ. 1981. - № 6. - С. 16-20.

21. Логунов A.B., Петрушин Н.В., Хацинская И.М. Температуры растворения упрочняющих интерметаллидных фаз в жаропрочных никелевых сплавах // МиТОМ. 1977. - № 6. - С.67-68.

22. Свидетельство на полезную модель № 28871 Устройство для защиты участков поверхности детали / Н. В. Абраимов, Ю. П. Шкретов, А. М. Терехин и др. // Б.и. 2003. - № 11. - С. 620.

23. Патент № 2232205 (РФ) Способ защиты участков поверхности детали / Н. В. Абраимов, Ю. П. Шкретов, А. М. Терехин и др. // Б.и. 2004. - № 19. -С. 482.

24. Бялобжецкий A.B., Цирлин М.С., Красилов Б.И. Высокотемпературная коррозия и защита сверхтугоплавких металлов. М.: Атомиздат, 1977. -224 с.

25. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов.— М.: Машиностроение, 1965.-491 с.

26. Коломыцев П.Т. Жаростойкие диффузионные покрытия. М.: Металлургия, 1979.-271 с.

27. Терехова В.В. Алитирование жаропрочных сплавов на никелевой основе: Дис. . к-та техн. наук. М., 1969. - 200 с.

28. Будиновский С.А., Мубояджан С.А. Эффективность двухстадийной ионно-плазменной технологии получения легированных диффузионных алю-минидных покрытий на жаропрочных никелевых сплавах // МиТОМ. — 2003. -№ 5. С. 27-32.

29. Косицин C.B. Структурная и фазовая стабильность жаростойких ин-терметаллидных сплавов и покрытий на основе ß-фазы системы (Ni, Со, Fe)-Cr-А1: Автореф. . дис. д-ра техн. наук. Екатеринбург, 2002. - 44 с.

30. Wasilewski R.G. Elastic constans and Young's modulus of NiAl // Trans. Met. Soc. AIME 1966. - V.236. - № 4. - P.455-457.

31. Уманский Я.Е. Рентгенография металлов. M.: Металлургия, 1967.235 с.

32. Пивкина О.Г. Влияние давления на рост интерметаллидных фаз при взаимной диффузии: Автореф. . дис. к-та техн. наук. -М., 1976 г. 16 с.428 ¿/

33. Самсонов Г.В., Винницкий И.М. Тугоплавкие соединения. М.: Металлургия, 1976. - 560 с.

34. Грейль Е.М. Исследование NiAl и Ni3Al // Механическаие свойства металлических соединений. М.: Металлургия, 1982. - С.256-299.

35. Технологические остаточные напряжения / Под ред. A.B. Подзея -М.: Машгиз, 1973.-211 с.

36. Патент № 2305141 (РФ) Установка для получения диффузионных покрытий в циркулирующей газовой среде / Ю.С. Елисеев, Ю. П. Шкретов, А. М. Терехин и др. //Б.И. 2007. - № 24. - С. 230-231.

37. Патент № 2305034 (РФ) Способ получения защитного покрытия на деталях / Ю.С. Елисеев, Н. В. Абраимов, Ю. П. Шкретов, А. М. Терехин // Б.И. 2007. - № 24. - С. 179.

38. Патент № 2305027 (РФ) Способ устранения трещин в поверхностном слое детали / В. А. Поклад, Н. В. Абраимов, Ю. П. Шкретов, А. М. Терехин // Б.И. 2007. - № 24. - С. 176.

39. Прогрессивные технологии защиты лопаток турбин от газовой коррозии / Н.В. Абраимов, Ю.С. Елисеев, Ю.П. Шкретов, A.M. Терехин*// Полет. -2008.-№3.-С. 17-24.

40. Абраимов Н.В., Шкретов Ю.П., Терехин A.M. Жаростойкие покрытия для лопаток газотурбинных двигателей // Литейное производство. — 2007. — №8.-С. 53-55.

41. К вопросу об эффективности многокомпонентных покрытий для жаропрочных сплавов / Н. В. Абраимов, Ю. П. Шкретов, А. М. Терехин и др. // Коррозия: материалы, защита. 2005. - № 10. - С. 10-13.

42. Симонов В.Н., Бахрунов К.К., Терехин A.M. Выбор рабочей газовой среды для нанесения защитных диффузионных покрытий // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2004. - № 3 - С. 57-60.

43. Хромоалитирование циркуляционным способом охлаждаемых лопаток газовых турбин / В.Н. Симонов, Н.В. Абраимов, A.M. Терехин и др. // Металловедение и термическая обработка металлов. 2007. - № 7 - С. 36-39.