Трансформация структуры и свойств жаростойкого покрытия в процессе высокотемпературных циклических испытаний лопатки турбины

Металлургия и материаловедение

Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

2020. Т. 27. № 4. С. 229-240.

DOI: 10.34759/vst-2020-4-229-240

Авторы

Ильинкова Т. А. 1*, Ильинков А. В. 1**, Климкин Ю. О. 1***, Живушкин А. А. 2****, Будиновский С. А. 3*****

1. Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева, КНИТУ - КАИ, ул. Карла Маркса, 10, Казань, 420111, Россия
2. ОДК-Климов, Кантемировская ул., 11, Санкт-Петербург, 194100, Россия
3. Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, Государственный научный центр Российской Федерации, ВИАМ, ул. Радио, 17, Москва, 105005, Россия

*e-mail: pochta20006@bk.ru
**e-mail: ailinkov@mail.ru
***e-mail: yurakl@mail.ru
****e-mail: azhivush@gmail.com
*****e-mail: admin@viam.ru

Аннотация

Проведены термоциклические испытания неохлаждаемых рабочих лопаток 2-й ступени турбины вертолетного ГТД из сплава с жаростойким покрытием состава Ni-20Co-20Cr-12Al-Ti-Y+Al-5Si-B. Испытания проведены на специальном стенде, обеспечивающем реализацию исследованных термоциклов, возникающих при эксплуатации ГТД. После определенной тепловой наработки лопатки снимались с испытаний. Исследовались изменения состава, микроструктуры и микромеханических свойств жаростойкого покрытия в наиболее нагруженной части лопаток. Выявлены деградационные процессы в виде диффузии хрома и алюминия, снижения микротвердости и упругости покрытия, роста ползучести и доли работы, затраченной на пластическое деформирование. Выявленные деградационные процессы в целом не оказали влияния на работоспособность лопаток с покрытием.

Ключевые слова:

лопатка турбины, двухслойное жаростойкое покрытие, термическая усталость, диффузия алюминия и хрома, микроструктура, микромеханические свойства

Библиографический список

  1. Schutze M. (ed) Corrosion and Environmental Degradation // In Material Science and Technology series. A Comprehensive Treatment. Cahn R.W., Haasen P., Kramer E.J. (eds.) – Wiley-VCH, Weinheim, London, 2000. Vol. II. – 524 p.

  2. Pint B.A., Nagaraj B.A., Rosenzweig M.A. Evaluation of TBC-Coated â -NiAl Substrates Without a Bond Coat // Dahorte N. et al eds. High Temperature Coatings II. – TMS, Warrendale, PA, 1996, pp. 163-174.

  3. Nicoll A.R., Wahl G. The effect of alloying additions on M-Cr-Al-Y systems – An experimental study // Thin Solid Films. 1982. Vol. 95. No. 1, pp. 21-34. DOI: 10.1016/0040-6090(82)90579-X

  4. Karlsson A.M., Hutchinson J.W., Evans A.G. The displacement of the thermally grown oxide in thermal barrier systems upon temperature cycling // Materials Science and Engineering: A. 2003. Vol. 351. No. 1-2, pp. 244–257. DOI: 10.1016/S0921-5093(02)00843-2

  5. Nicholls J.R. Advances in coating design for high-performance gas turbines // MRS Bulletin. 2003. Vol. 28. No. 9, pp. 659–670. DOI: 10.1557/mrs2003.194

  6. Береговский В.В., Щуренкова С.А. Жаростойкое покрытие с градиентом хрома по профилю пера лопатки для защиты лопаток газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания. Патент RU 2434076 C2. Бюл. № 13, 10.05.2011.

  7. Береговский В.В., Щуренкова С.А. Многослойное жаростойкое покрытие с градиентом алюминия по толщине. Патент RU 2437962 C2. Бюл. № 36, 27.12.2011.

  8. Аникин В.Н., Синицын Д.Ю., Кузнецов Д.В. и др. Многослойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов. Патент RU 2621506 C1. Бюл. № 16, 06.06.2017.

  9. Васильев Е.В., Мельников П.А., Попов А.Н., Марушин С.А. Жаростойкое металлокерамическое покрытие и способ его нанесения. Патент RU 2614320 C2. Бюл. № 9, 24.03.2017.

  10. Поклад В.А., Крюков М.А., Рябенко Б.В., Козлов Д.Л. Способ получения многослойного теплозащитного покрытия на деталях из жаропрочных сплавов. Патент RU 2375499 C2. Бюл. № 34, 10.12.2009.

  11. Мубояджян С.А., Будиновский С.А. Конденсированные и конденсационно-диффузионные покрытий для лопаток турбин из жаропрочных сплавов с направленной кристаллической структурой // Металловедение и термическая обработка металлов. 1996. № 4. С. 15-18.

  12. Мубояджян С.А., Лесников В.П., Кузнецов В.П. Комплексные защитные покрытия турбинных лопаток авиационных ГТД. – Екатеринбург: Квист, 2008. – 208 c.

  13. Смыслов А.М., Быбин А.А., Невьянцева Р.Р., Измайлова Н.Ф. Особенности высокотемпературной газовой коррозии жаростойкого ионно-плазменного покрытия ВСДП-11, модифицированного ионами иттербия // Авиационно-космическая техника и технология. 2009. № 10(67). С. 137-140.

  14. Мингажев А.Д., Быбин А.А., Новиков А.В., Смыслова М.К. Способ получения жаростойкого покрытия на лопатках турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок. Патент RU 2435872 C2. Бюл. № 34, 10.12. 2011.

  15. Матвеев П.В., Будиновский С.А., Мубояджян С.А., Косьмин А.А. Защитные жаростойкие покрытия для сплавов на основе интерметаллидов никеля // Авиационные материалы и технологии. 2013. № 2(27). C. 12-15.

  16. Clarke D.A., Serge V., He M.-Y. Precursor to TBC Failure Caused by Constrained Phase Transformation in the Thermally Grown Oxide // Elevated Temperature Coatings: Science and Technology III (28 February – 04 March 1999; San Diego, California), p. 67.

  17. Quadakkers W.J., Tyagi A.K., Clemens D., Anton R., Singheiser L. The Significance of Bond Coat Oxidation for the Life of TBC Coatings. in Elevated Temperature Coatings // Elevated Temperature Coatings: Science and Technology III (28 February – 04 March 1999; San Diego, California), p. 119.

  18. Головач А.М., Дмитриева М.О., Бондарева О.С. Структурные изменения электродугового терм-барьерного покрытия на лопатках газотурбинных двигателей после эксплуатации // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27. № 2. С. 207-213. DOI: 10.34759/vst-2020-2-207-213

  19. Абраимов Н.В., Золотарева А.Ю. Влияние высокотемпературных покрытий на характеристики надежности лопаточных элементов ГТД // Электрометаллургия. 2019. № 6. С. 24-32.

  20. Абраимов Н.В. Влияние жаростойких покрытий на долговечность лопаток турбин при многоцикловой и малоцикловой усталости // Электрометаллургия. 2020. № 4. С. 22-23.

  21. Бакланов А.В. Экспериментальное исследование температурного состояния стенок жаровой трубы многофорсуночной камеры сгорания газотурбинного двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 2. С. 116-125.

  22. Ильинкова Т.А., Ильинков А.В., Щукин А.В. Термостойкость никелевых сплавов с защитными покрытиями // Новые технологии, материалы и оборудование российской авиакосмической отрасли: Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (10-12 августа 2016, Казань): В 2-х т. Казань: Изд-во Академии наук Республики Татарстан, 2016. Т. 1. С. 325-331.

  23. Ильинкова Т.А., Тагиров А.Т. Окисление подслоя плазменных теплозащитных покрытий при высокотемпературной наработке // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015. № 2. С. 3-9.

  24. Pujol G., Ansart F., Bonino J.P., Maliе A., Hamadi S. Step-by-step investigation of degradation mechanisms induced by CMAS attack on YSZ materials for TBC applications // Surface and Coatings Technology. 2013. Vol. 237, pp. 71-78. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2013.08.055

  25. Karaoglanli A.C., Altuncu E., Ozdemir I., Turk A., Ustel F. Structure and durability evaluation of YSZ + Al2O3 composite TBCs with APS and HVOF bond coats under thermal cycling conditions // Surface and Coatings Technology. 2011. Vol. 205. No. 2, pp. S369-S373. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2011.04.081

  26. Pomeroy M.J. Coatings for gas turbine materials and long term stability issues // Materials and Design. 2005. Vol. 26. No. 3, pp. 223-231. DOI: 10.1016/j.matdes.2004.02.005

  27. ГОСТ Р 8.748-2011 (ИСО 14577-1:2002). Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании. Часть 1. Метод испытаний. – М.: Стандартинформ, 2013. – 23 с.

  28. Косьмин А.А., Будиновский С.А. Исследование жаропрочного сплава ЖС36 с различными типами ионно-плазменных защитных покрытий на стойкость к сульфидно-оксидной коррозии в области температур 850-900оС // Труды ВИАМ. 2015. № 12. С. 36-45.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2020