12 ПОКРИТТЯ ТА ЗАХИСТ ДЕТАЛЕЙ ГТУ

Жароміцні сплави зберігають конструкційну міцність до температур 980°С. Легувальні елементи, що забезпечують жароміцність найчастіше погіршують опір сплавів руйнуванню поверхонь через окислення, гарячу корозію, термічну втому. Для захисту поверхні використовують нанесення покриття або плакування. Основними факторами, що впливають на вибір системи захисту жароміцного сплаву, є умови експлуатації, матеріал та спосіб захисту. Властивості сплаву залежать від хімічного складу, мікроструктури, попередньої обробки; для вибори системи захисту необхідна інформація про умови експлуатації. Покриття повинні забезпечити достатній рівень стійкості деталі до дії зовнішнього середовища, тому необхідно враховувати стійкість захисного покриття в певних умовах. Покриття і сплав можна розглядати як композиційний матеріал, властивості основного матеріалу можуть змінюватися при нанесенні покриття. Дифузія між зовнішніми та внутрішніми шарами може змінювати міцність та опір повзучості металу основи, або погіршувати опір поверхні до дії зовнішнього середовища. Має значення не лише тип покриття але й спосіб його нанесення, термічний вплив може суттєво вплинути на властивості матеріалу основи. Для складних за конструкцією елементів не завжди може бути забезпечено рівномірне нанесення покриття, що не дозволяє отримати необхідний рівень захисту.

Найчастіше жароміцні сплави із захисною системою використовують для деталей камер згорання та газової турбіни. В камері згорання та для спрямовуючих апаратів турбіни окислення, гаряча корозія та термічна втома є основними причинами виходу з ладу при експлуатації.

Вимоги до покриття:

1. Забезпечення захисту від ВТК та окислення при експлуатації.

2. Висока термостійкість, покриття не повинно руйнуватися під дією термічних та механічних напружень.

3. Коефіцієнт термічного лінійного розширення покриття повинен бути близьким до КТЛР металу - основи.

4. При роботі в покриті не повинні відбуватися фазові перетворення.

5. Покриття повинно бути стабільним і не взаємодіяти з основою.

6. Покриття повинно мати достатню ерозійну стійкість.

7. Форма деталі не повинна суттєво впливати на склад та товщину покриття (технологічність).

8. Покриття повинне передбачати можливість видалення та повторного нанесення, наприклад при ремонті деталі.

Жаростійкі покриття класифікуються за наступними ознаками:

- за характером взаємодії з основою (дифузійні, конденсаційні);

- за фазовим складом (алюмінідні, силіцидні, платино-алюмінідні та ін.);

- за назвою основних елементів ((А1-Сг, А1-8і, Рі-А1) -дифузійні; (№СгА1У, СоСгАІУ, №СоСгА1УНі8і) - конденсаційні);

- за методом отримання (електронно-променеві покриття, вакуум-плазмові, порошкові, отримані методом катодного розпилення);

- за технологією отримання покриття (одностадійні, двостадійні).

Дифузійні покриття одержують при високих температурах з газової фази (утворюються покриття А1-Сг, А1-8і, А1, Сг). При витримці відбувається дифузійна взаємодія з основним металом. Дифузійні покриття отримують методом порошків, коли поверхня металу контактує з джерелом елементу, що осаджується; газофазним (газовим) методом - поверхня не знаходиться у безпосередньому контакті із порошком; циркуляційним методом - різновид газофазного, поверхня обдувається галогеноїдами елементів, для нанесення покриття може використовуватися шлікерний спосіб.

На першому етапі використання захисних покриттів для сплавів на нікелевій основі найбільшого поширення здобули покриття на основі алюмінію - алюмінідні покриття. Діаграма стану системи А1-№ наведена на рис.3.2, а.

Розробка покриттів розпочиналася з алітування, яке використовували для захисту від корозії робочих та спрямовуючих лопаток турбін, що працюють при температурі вище 850°С. Алюмінідні покриття, леговані хромом, кремнієм, танталом, ніобієм, бором мають вищий рівень корозійної стійкості ніж алітовані. Перевагою таких покриттів є вища термічна стабільність, пластичність, міцність дотермічної втоми. Ці покриття наносять дифузійним, шлікерним, електрофоретичним методами, металізацією. Найбільш поширений -дифузійний метод. Суміш інертного окислу, солі лужного металу та джерело алюмінію разом з деталями поміщують до реторти. При нагріванні утворюється газоподібне галоїдне з'єднання алюмінію. Цей газ забезпечує надходження алюмінію до поверхні сплаву. Активність алюмінію в середовищі вище ніж в сплаві, алюміній реагує з поверхнею та дифундує вглиб металу. Галоген вивільнюється, взаємодіє з алюмінієм, процес насичення продовжується. Існують два способи нанесення алюмінідних покриттів: нанесення в високоактивному та малоактивному середовищі. Процес нанесення за першим варіантом передбачає низькі температури, за другим - високі. Високоактивні покриття отримують при температурі 760-980°С. Вихідне покриття на нікелевому сплаві складається з №2А13 на поверхні із прошарком №А1 та №3А1 та твердого розчину на основі нікелю під №2А13. В процесі термообробки алюміній дифундує вглиб, нікель - назовні, внаслідок реакції вміст алюмінію у сполуці №2А13 зменшується, утворюється в-фаза на основі №А1. Розчинність хрому, молібдену, вольфраму, титану в цій фазі низька, вони виділяються у вигляді карбідів або ТЩУ-фаз. Хром може знаходитись у твердому розчині (в в-фазі), у вигляді карбіду, входити до складу ТЩУ-фаз, в у- або /-фазі. Структура покриття у випадку високоактивного середовища наведено на рис. 12.1, а.

 

а б а - висока активність насичення; б - низька активність насичення Рисунок 12.1 - Схема мікроструктури алюмінідного покриття (1 - поверхня; 2 - №А1+Сг+карбіди; 3 - №А1; 4 - №А1+карбід+о-фаза; 5 - матеріал, що захищають)

У випадку малоактивного середовища через низьку активність алюмінію утворюється лише №А1, структура такого покриття наведена на рис. 12.1, б.

Товщина алюмінідних покриттів від 40 до 100 мкм. Такі покриття ефективні при захисті нікелевих сплавів від ВТК до 900­1000°С, але турбіна повинна експлуатуватися з використанням високоякісного палива та за відсутності впливу морської атмосфери. Властивості алюмінідних покриттів можна поліпшити введенням додаткового прошарку між металом основи та покриттям. Як проміжний шар використовують чисті метали або сплави. Наприклад, як проміжний використовують тонкий шар платини.

Покриття, що отримують дифузійним хромуванням, є ефективними при експлуатації турбін невеликої потужності, що працюють на доменному газі, нафтових паливах при температурі на вході 710-730°С , покриття забезпечує високу стійкість в продуктах горіння рідкого палива, що містить сірку, натр, ванадій при температурі 750-800°С. Недоліком хромистих покриттів є крихкість при циклічних напруженнях, найчастіше такі покриття використовують для спрямовуючих лопаток.

У випадку конденсаційних покриттів є можливим створення складних за будовою зовнішніх шарів, забезпечити мінімальну хімічну взаємодію між металом основи та покриттям. Метод електронно-променевого випаровування та конденсації в вакуумі (ЕП-метод) полягає у розплавленні металевого зливка променем електронів та осадженні (конденсації) пари металів на поверхню деталі. Процес нанесення проводять у вакуумі 10-2-10-4 Па, швидкість нанесення -25 мкм/хвил. ЕП методом наносять чисті метали, сплави, окисли, комбіновані склади. Найбільш поширені покриття типу МСгАІУ, де М - це кобальт, нікель або залізо. ЕПП наносять товщиною 80-150 мкм. Такі покриття мають високу корозійну стійкість, є термічно стійкими, поєднують пластичність з високою міцністю. Під час нанесення покриття в поверхні можуть існувати ділянки, де відсутній зв'язок між покриттям і основою, найбільш небезпечним є існування у покритті каналів, що розташовані перпендикулярно до поверхні деталі. Причиною їх виникнення є умови кристалізації покриття. Кожне зерно зростає окремо від інших у вигляді довгої колони. Покриття складається з крупних стовпчастих кристалів, зв' язок між якимислабкий. Для усунення цього дефекту поверхня після нанесення покриття обдувається мікрокульками, ущільнення поверхневого шару поліпшує захисні властивості. ЕПП за рівнем стійкості в умовах сульфідної корозії в 2-2,5 рази перевищує алюмінідні покриття.

Структура поверхневого шару у випадку ЕПП (після відпалення 1050°С - 2 год. в вакуумі) складається з у-твердого розчину на основі кобальту (містить до 25% Сг, 3%А1), в-фази (СоА1), об'ємна кількість якої складає 30%, та а-Сг. а-фаза (СоСг), що існує в покритті безпосередньо після осадження, при відпаленні розчиняється.

Метод плазмового напилення передбачає проведення процесу в вакуумі. Плазмові покриття мають високу щільність (98-99%), добру адгезію, є можливим нанесення покриття на деталі великого розміру, залишкові напруження в покритті низькі. Термічна обробка для підвищення адгезії не завжди необхідна. До недоліків покриття належить певна шаруватість у будові, напрямок шарів - вздовж поверхні, в деяких випадках утворюються оксидні включення, існує висока шорсткість поверхні.

Перспективним для газотурбобудування є метод нанесення покриттів катодним розпиленням. Він може використовуватися при нанесенні покриттів з тугоплавких металів або сплавів. Перевагами метода є простота, економічність, можливість нанесення на деталі складної форми, висока щільність покриття та адгезія до підкладки. Покриття не потребує подальшої термічної та механічної обробки. Недоліком є низька швидкість нанесення покриття. Для захисту поверхні використовують також метод плакування. Із фольги створюється герметична оболонка навколо пера лопатки, яка обтискається та поєднується з пером гарячим ізостатичним пресуванням (ГІП) в спеціальній камері при температурі 1100-1200° С , тиск - 200 МПа. Товщина покриття визначається товщиною фольги

(25-250 мкм).

Окрім забезпечення високої корозійної стійкості покриття використовують як термобар' єрні або термозахисні. Такі покриття поєднують функції антикорозійного захисту та зниження температури деталі. Такі покриття найчастіше багатошарові, з поверхнею деталі контактує сплав типу МСгА1У, зовнішній керамічний шар складається з оксиду цирконію ^г02), що стабілізований У203, МgO. Недоліком таких покриттів є недостатня стійкість до термічної втоми. Принанесенні покриття слід враховувати вплив на загальний рівень жароміцності, циклічної довговічності, покриття не повинно суттєво погіршувати механічні властивості.

Термічна обробка деталей ГТУ, у випадку додаткового захисту поверхні, повинна забезпечувати необхідний рівень властивостей в матеріалі без втрати захисних властивостей покриття при основній обробці. З іншого боку, технологія нанесення покриттів також пов' язана із термічним впливом, який може негативно впливати на структуру металу-основи. Тому при виборі системи захисту необхідно забезпечити оптимальне поєднання „покриття-основний метал" та технології термічної обробки. Нанесення покриттів дифузійним методом, наприклад алітування (хромоалітування) жароміцних нікелевих сплавів, поєднують із операцією старіння, що скорочує час витримки при високій температурі та забезпечує достатній рівень властивостей основи та покриття. Для сплаву ЖС6У старіння проводять при 950°С (4 год.), воно поєднується з дифузійним відпалом при отриманні алітованого шару. У випадку ЕПП відпалення покриття може поєднуватися із високотемпературною обробкою матеріалу (~1050°С).

Типова технологія алітування (алюмосилікування) деталей з нікелевих жароміцних сплавів шлікерним методом.

Поверхня деталей має бути очищена гідропіскострумінним способом (або сухим піском, подрібненими вишневими кісточками). Розмір частинок піску або корунду не повинен перевищувати 32 мкм, „кісточкової крошки" - 1,5-3 мм, тиск повітря при очищенні 1,5­3 атм.

При виготовленні шлікеру використовують зв' язуючу органічну речовину - біндер (розчин нітроцелюлози в ефірах) та порошкові суміші, що містять насичувальний елемент, різних марок. При алітуванні використовують наступний склад шлікеру: 350 мл - біндер, 225 г - порошок алюмінію (АСД-4). При алюмосилікуванні є можливим використання суміші АС-1 (350 мл - біндер, 209 г -порошок алюмінію (АСД-4), 11 г - порошок кремнію) або АС-2 (350 мл - біндер, 112 г - порошок алюмінію (АСД-4), 112 г - порошок кремнію).

При нанесенні покриття товщина шлікеру повинна в 1,3-1,4 рази   перевищувати   глибину   дифузійного   шару, передбаченогокресленням, для АС-2, або - співпадати за товщиною при алітуванні або нанесенні АС-1.

Після нанесення шлікеру деталь просушують під витяжкою (не менше 30 хвилин). Товщина шлікеру перевіряється за допомогою струмовіхрового дефектоскопу (ТПН-П) на зразках-свідках та на 1-2 деталях від партії.

Дифузійне відпалення проводять у повітряній або нейтральній (аргон, азот, водень) атмосфері або в вакуумі. Режим обирається з урахуванням виду деталі та матеріалу.

При алітуванні або алюмосилікуванні робочих та соплових лопаток з сплавів ЖС6К, ЖС6У, ЖС6, ЖС3ДК, ЖС3ЛС, ВЖЛ8, ВЖЛ12У, ЖС26 та ін. проводять двоступеневе відпалення: перша ступень відповідає температурі 950±20°С (витримка 1-2 год.), друга -1000±20°С (витримка 2-4 год.). Однак є можливим використання одноступеневого відпалення 950±20°С (з тривалістю 2-6 год.). Твердість покриття контролюють на зразках-свідках за допомогою мікротвердоміру (ПМТ-3) при нагрузці 20-50 г. Твердість покриття не повинна перевищувати 800 кгс/мм2. Глибина алітованого або алюмосиліцидного шару для лопаток знаходиться в межах 0,02­0,07 мм, обирається з урахуванням конструктивних особливостей та матеріалу деталей.

При алітуванні лопаток з сплаву ЗИ437ЕВД відпалення проводять при температурі 700±10°С, тривалість процесу - 8-16 годин.

При дифузійному відпаленні інших деталей зі сплавів ЖС6К, ЖС6У, ЖС6Ф, ВЖЛ8, ВЖЛ12У, ЖС3ДК, ЖС3ЛС, ВЖ98, ЗИ703, ЗИ867, 12Х18Н10Т проводять витримку при 950±20°С, для ВХ4Л -900±20°С, ЗИ437ЕВД - 700±10°С. Час витримки залежить від технічних вимог.

При проведенні дифузійного відпалення після механічної обробки не проводять додаткового відпалення для зняття напружень.

Після термічної обробки поверхню очищують від залишків шламу за допомогою металевих щіток та проводять обдувку „кісточковою крошкою".

Контроль якості проведення алітування передбачає

- візуальний зовнішній огляд - 100% деталей (поверхня з покриттям повинна бути гладкою, без виразок та поверхневих дефектів);

- металографічним методом визначається глибина покриття на 2-3 зразках-свідках;

- визначення мікротвердості покриття (зразок-свідок);

- наявність покриття на лопатках контролюють термоелектричним методом.

Контроль лопаток з покриттям:

- контроль зовнішнього вигляду;

- контроль геометрії у відповідності до конструкторського креслення виробу;

- ЛЮМ-1 - контроль;

- контроль витривалості;

- вихроструменевий контроль вихідних кромок.

Сучасним методом захисту робочих та соплових лопаток авіаційних турбін від корозії є газоциркуляційне хромоалітування. Отримані цим способом покриття забезпечують захист від корозії зовнішніх та внутрішніх поверхонь лопаток (з каналами охолодження). Покриття наносять на лопатки за рахунок примусової циркуляції насичувального газового середовища. Процес насичення складається з двох стадій. На першій стадії проводять нікель-хромування, на другій - алітування. При проведенні такої обробки слід забезпечити високу чистоту поверхні (ззовні та в середині виробу). Передбачається: гідроабразивна обробка, промивання в ультразвуковій ванні, промивання теплою водою, холодною водою, обдувка стиснутим повітрям для видалення вологи, проводиться сушка в сушильному шкафу при 120-150°С (1-1,5 год.). після такої підготовчої обробки деталі приміщують в спеціальних приладах до муфеля, що завантажують в шахтну піч. При нагріванні з муфеля відкачують повітря, в розігрітому до 1000°С муфелі відбувається насичення поверхні лопаток хромом (6 год.), газова суміш активується за допомогою вентилятора. Після проведення обробки деталі очищують, просушують та алітують (процес насичення подібний до хромування). Порівняно з попередньо розглянутим процесом насичення, метод потребує більших витрат (необхідно використовувати спеціальне обладнання), проте цей недолік компенсується перевагами таких захисних покриттів. Газоциркуляційні покриття забезпечують захист від ВТК до 1320К (1047°С),   захищені   внутрішні   та   зовнішні   поверхні, точністьнанесення покриття ±5 мкм, зростає продуктивність в 2,0-2,5 разів, зменшуються витрати порошків.