Способы (методы) нанесения жаростойких покрытий на лопатки ГТД (газотурбинных двигателей)

Введение

Газотурбинные установки и двигатели находят все более широкое применение в современной технике: двигатели самолетов и вертолетов, судовые газотурбинные двигатели, энергетические ГТУ и газоперекачивающие агрегаты. К основным деталям, определяющим надежность, экономичность и ресурс их работы, являются рабочие лопатки турбины. Длительная эксплуатация лопаточного аппарата турбины возможна лишь при условии изготовления рабочих лопаток из жаропрочных сплавов на никелевой или кобальтовой основе. В процессе эксплуатации лопатки подвергаются воздействию повышенных механических нагрузок, высоких температур и агрессивных сред. Результатом такого комплексного воздействия на деталь является ее быстрый выход из строя, что не обеспечивает требуемого ресурса изделия в целом. Для решения проблемы повышения работоспособности лопаток турбины используются различные эффективные защитные покрытия 
Наиболее эффективным средством защиты лопаток ГТД являются теплозащитные покрытия (ТЗП), поскольку их применение позволяет значи-тельно (на 100°С и более) снизить рабочую температуру пера лопатки, либо поднять температуру рабочего газа турбины.
В данной работе будут рассмотрены основные методы нанесения жаростойких покрытий на лопатки ГТД.

1 Электронно-лучевое осаждение
Серийные ТЗП, нанесенные методом EB-PVD, с внешним керамическим слоем из диоксида цирко-ния, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ), имеют характерную столбчатую структуру. Рост керамики в виде тонких кристаллитов, ориен-тированных по нормали к поверхности подложки, и наличие вертикальных каналов обеспечивают такому керамическому слою ТЗП, полученного электронно-лучевым методом, высокую термо-стойкость на поверхности металлической подлож-ки в условиях интенсивных теплосмен, характер-ных при эксплуатации ГТД. Коэффициент тепло-проводности ТЗП, нанесенного EB-PVD-методом, в исходном состоянии находится в диапазоне 1,5–1,8 Вт/(м·К), но в процессе эксплуатации ГТД воз-растает до 2–2,4 Вт/(м·К), что связано со спекани-ем кристаллитов при высоких температурах и, соответственно, снижением пористости керамиче-ского слоя. В результате величина теплозащитного эффекта от применения ТЗП снижается с 80–100 до 20–40°С.
Серийные плазменные ТЗП по эксплуатацион-ным свойствам (термостойкости, эрозионной стойкости) уступают электронно-лучевым, так как не имеют столбчатой структуры. Вследствие быстрого увеличения микроструктур-ных дефектов в виде микротрещин, параллельных поверхности подложки, а также высокой шерохо-ватости поверхности раздела «керамика–металл», ТЗП, нанесенные APS-методом, в целом имеют более короткие сроки службы, чем покрытия, по-лученные ЕВ-PVD-методом. Однако более низкая удельная теплопроводность (0,5–1,4 Вт/(м·К)), универсальность, низкая стоимость оборудования и производства плазменных покрытий (в сравне-нии с электронно-лучевыми ТЗП) делают их ком-мерчески привлекательными для разработчиков и производителей ГТД.
Анализ научно-технической литературы в об-ласти ТЗП показывает, что исследования по со-вершенствованию EB-PVD-технологии нанесения керамических покрытий направлены на снижение теплопроводности путем модификации структуры покрытия в процессе осаждения за счет измене-ния параметров процесса, в том числе повышения давления в камере напыления, управления скоро-стью конденсации испаряемой керамики, приме-нения прерывистого парового потока, вращения подложки с заданной скоростью для получения зигзагообразной структуры покрытия, чтобы обеспечить более эффективную термоизоляцию. Последние два подхода отражают важные измене-ния в понимании механизмов исчерпания защит-ных свойств ТЗП в процессе его эксплуатации. Столбчатая структура покрытий, нанесенных EB-PVD-методом, больше не рассматривается только как способ снятия касательных напряже-ний на границе «металл–керамика». В ряде работ показан значительный вклад двух- и трехмерных зигзагообразных EB-PVD-структур в снижение коэффициента удельной теплопроводности элек-тронно-лучевого керамического слоя, который может быть снижен таким технологическим прие-мом – до 1 Вт/(м·К).
Инновационный технологический подход к совершенствованию EB-PVD-технологии предпо-лагает использование в процессе направленного в сторону подложки потока инертного газа. Метод получил название «электронно-лучевое направ-ленное осаждение паров» (EB-DVD). Первооче-редной задачей метода являлось повышение эф-фективности осаждения. Однако возможность манипулировать источником газа,Введение

в про-цесс нескольких источников газа или плазмы, а также (в перспективе) реактивное осаждение от-крыли новые возможности нанесения керамиче-ских слоев. Для испарения керамики применяют низковакуумное (10-3–10-4 мм рт. ст.) электронно-лучевое испарение в сочетании с направленным обдувом потоком гелия зоны испарения под опре-деленным углом к покрываемой поверхности. Это позволяет получать керамический слой со столбчатой структурой, причем образую-щие его кристаллиты имеют волнообразную двух-мерную или зигзагообразную трехмерную форму. Теплопроводность керамических покры-тий (YSZ) с зигзагообразной микроструктурой, нанесенных DVD-методом, сопоставима с тепло-проводностью плазменных ТЗП

.
В области технологии плазменного напыления с использованием порошков наиболее значимыми являются два направления развития. Первое – получение ТЗП с вертикальными трещинами (DVC), в котором трещины, как и в EB-PVD-покрытиях, предназначены для релаксации касательных напряжений. Покрытие имеет более плотную мик-роструктуру и меньшую пористость, что приво-дит к росту удельной теплопроводности и улуч-шению сопротивления эрозии по сравнению с APS-покрытиями. При управлении параметрами процесса осаждения плотность DVC-покрытия может быть уменьшена вблизи поверхности слоя для облегчения полировки, необходимой для оп-тимизации аэродинамических параметров лопаток турбин. Эти свойства сделали DVC-технологию оптимальной для нанесения ТЗП на детали каме-ры сгорания, жаровых труб и сопла.
В последнее время предложена плазменная технология нанесения покрытия с использовани-ем прекурсоров, содержащих мелкодисперсные порошки керамик (SPPS). Процесс состоит из по-следовательного быстрого испарения растворите-ля при впрыске прекурсора в плазменный факел на срезе плазмотрона, пиролиза в плазменной струе и кристаллизации на подложке. Теп-лопроводность SPPS-покрытий выше, чем у обыч-ных плазменных (AРS) покрытий (~1,4 Вт/(м·К)) [1].

2 Атмосферное плазменное напыление
По мнению авторов SPРS-покрытия показыва-ют лучшую термостойкость по сравнению с дру-гими ТЗП, полученными известными методами. Одним из наиболее перспективных методов нанесения ТЗП является разработанная компани-ей Sulzer Metco технология плазменного физиче-ского осаждения покрытий из паровой фазы (PS-PVD), которая является дальнейшим развити-ем технологии вакуумного плазменного напыле-ния (LPPS). Первоначальной целью работ было создание технологии нанесения покрытий в плазме очень низкого давления (VLPPS) для полу-чения тонких покрытий с большой зоной распы-ления. При давлении 50–200 Па струя плазмы увеличивается в длину от 100 мм до 1,5 м по срав-нению с обычным процессом плазменного напы-ления, происходящего при давлении 5–20 кПа. При определенных условиях процесса, PS-PVD-ме-тодом можно получать структуру ТЗП, очень близкую к структуре EB-PVD-покрытия.
По данным компании Sulzer Metco таким мето-дом можно получать ТЗП с теплопроводностью ~0,8–1 Вт/(м·К) и пористостью ~15%. Однако сопротивление эрозии PS-PVD-покрытий значи-тельно ниже, чем у покрытий, полученных мето-дом EB-PVD, и сопоставимо или даже выше, чем у метода APS.
Для получения ТЗП с керамическим слоем низкой теплопроводности в ВИАМ разработаны уникальная технология и оборудование для маг-нетронного среднечастотного распыления мише-ней на основе сплавов циркония с редкоземельны-ми металлами с последующим плазмохимическим осаждением керамики в среде аргонокислородной плазмы. Процесс магнетронного распыления обеспечивает преимущества по сравнению с элек-тронно-лучевым методом нанесения ТЗП, среди которых можно отметить снижение энерго-потребления – до 20 раз и уменьшение массы и габаритных размеров установки – более чем в 5 раз (сравнение с установкой электронно-лучевого напыления фирмы ALD) [1].

3 Электронно-лучевое испарение 
В НПП «Элтехмаш» защитные покрытия на лопатки турбины наносят путем эектронно-лучевого испарения сплавов MeCrAlY (где Ме-NiCoFe) MeCrAlYHfSiZr и керамики на основе ZrО2, стабилизированного Y2О3 и последующей конденсации паровой фазы на поверхности рабочих и направляющих лопаток газовых турбин различного назначения.
Разработаны три класа покрытий:
- однослойные металлические типа MeCrAlY, MeCrAlYHfSiZr;
- однослойные композиционные микрослойного типа с чередованием слоев MeCrAlY (MeCrAlYHfSiZr) / MeCrAlY (MeCrAlYHfSiZr) + МеО где МеО - Al2О3 или ZrО2 +6… 8 мас % Y2О3;
- двухслойные покрытия с внутренним металлическим MeCrAlY (MeCrAlYHfSiZr) и внешним керамическим слоями; 
- двухслойные покрытия с внутренним композиционным MeCrAlY (MeCrAlYHfSiZr) + МеО дисперсноупрочненного или микрослойного типов и внешним керамическим (ZrО2 - Y2О3) слоями;
- трехслойные покрытия с внутренним и промежуточным металлическими слоями на основе сплавов MeCrAlY (MeCrAlYHfSiZr) и внешним слоем на основе керамики (ZrО2 - Y2О3);
- трехслойные покрытия с внутренним металлическим MeCrAlY (MeCrAlYHfSiZr), промежуточным композиционным MeCrAlY (MeCrAlYHfSiZr) + МеО дисперсноупрочненного или микрослойного типов и внешним керамическим (ZrО2 - Y2О3) слоями;
- трехслойные покрытия с внутренним металлическим MeCrAlY (MeCrAlYHfSiZr), промежуточным композиционным MeCrAlY (MeCrAlYHfSiZr) + МеО дисперсно-упрочненного или микрослойного типов и внешним керамическим (ZrО2 - Y2О3) с элементами - дисперсными частицами боридов, которые окисляясь залечивают микротрещины во внешнем керамическом слое, возникающие при термоциклах нагрев-охлаждение.
Общая толщина однослойных жаростойких покрытий не превышает 150 мкм, двухслойных теплозащитных 200 мкм, трехслойных теплозащитных – 300 мкм. Толщина демпфирующего внутреннего слоя с пониженым содержанием Al (3-6%мас) в трехслойных теплозащитных покрытиях колеблется от 30 до 50 мкм, промежуточного жаростойкого 50-80 мкм внешнего керамического 80-120 мкм концентрация хрома, алюминия, иттрия, циркония, гафния, кремния в жаростойком слое составляют соответственно 18-24% мас, 10-130% мас, 04 – 1,8% мас, циркония, гафния, кремния от 0,05 до 0,2% мас