Лекция 5. Тема 9. Покрытия для деталей и узлов гтд

Около 70 % деталей авиационных двигателей имеют металлические или керамические покрытия для защиты от коррозии, износа и высокотемпера­турного окисления, а также для специальных целей, например уплотнения.

Выбор материала и способа нанесения покрытия производится с учетом:

- условий эксплуатации детали (температура, условия контакта, среда и др.),

- химической и металлургической совместимости материалов покрытия и подложки, которая предполагает образование прочных связей между ними и отсутствие электрохимического взаимодействия,

- возможности нанесения покрытия на данный материал выбранным способом.

- физико-механической совместимости, которая подразумевает близость физических и механических свойств материалов покрытия и подложки, в частности модулей упругости, твердости, коэффициента термического расширения,

- возможности нанесения покрытия на деталь данной формы с обеспечением равномерности толщины и свойств.

а). Уплотнительные (срабатываемые) покрытия

У меньшая величину зазоров между лопатками и кожухом можно повысить эффективность двигателя на 5 %. Этого можно добиться, например, нанесением на внутреннюю поверхность деталей статора срабатываемых (уплотнительных) покрытий, которые, изнашиваясь при взаимодействии с лопатками вращающегося ротора, формируют оптимальный зазор (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Схема расположения срабатываемого покрытия на статоре и износостойкого покрытия на торце лопатки

Срабатываемые покрытия должны иметь:

- определенное сопротивление изнашиванию (износ и время приработки);

- необходимую прочность;

- необходимую жаростойкость;

- обеспечивать требуемую величину зазора между лопатками и кожухом в течение ресурса работы двигателя.

Это обеспечивается специфическим строением многокомпонентных материалов, свойствами используемых связок, пористостью, технологией нанесения покрытий.

Перспективными материалами срабатываемых покрытий являются:

- полимеры,

- кремнеорганические полимеры с алюминиевым наполнителем,

- композиции Ме-полимер-нитрид бора,

- композиции металлографитовые (Ni-25 % С),

- покрытия Me-Cr; Al; Y (иттрий),

- керамические термобарьерные покрытия.

Следует отметить, что применение срабатываемых покрытий одновременно может решить проблему защиты от воздействия высоких температур, достигающих 1200 °С.

Срабатываемые покрытия наносятся следующими методами:

- газопламенным напылением,

- сверхзвуковым газопламенным напылением,

- плазменным напылением.

В ММПП «Салют» в качестве срабатываемых покрытий, работающих до температур порядка 550 °С, используется материал АНБ, исходные гранулы которого содержат 18 ... 23 % BN, 4 ... 8 % SiO₂, остальное - алюминий. При более высоких температурах применяется уплотнительное покрытие УВС-2.

Нанесение уплотнительного покрытия АНБ производится методом плазменного порошкового напыления в специальной камере, внутри которой установлены устройство для закрепления и вращения деталей и механизм перемещения плазмотрона.

б). Жаростойкие покрытия

Основной причиной разрушения деталей горячего тракта двигателя является высокотемпературное окисление, которое может усугубляться параллельным протеканием других химических реакций (с серой, солями щелочных металлов, легкоплавкими оксидами и проч.).

Свойство материалов сопротивляться высокотемпературному окислению называют жаростойкостью.

В результате высокотемпературного окисления снижается прочность и уровень механических свойств материала, в частности пластичность.

Окисление, диффузионные процессы и механические нагрузки приводят к образованию в поверхностном слое концентраторов напряжений:

- микротрещин,

- пор,

- зон с различной твердостью и прочностью и др.

Наиболее стойкими к высокотемпературному окислению являются:

А1₂О₃, Cr₂O₃, SiO₂.

Поэтому А1, Сг и Si служат базовыми элементами, используемыми в жаростойких покрытиях.

При выборе состава покрытия руководствуются:

- минимальным различием коэффициентов термического расширения покрытия и защищаемого сплава;

- уровнем рабочих температур;

- составом окислительной среды;

- степенью влияния покрытия на усталостную прочность деталей;

- способом нанесения покрытия;

- возможностями дальнейшей обработки покрытия с целью повышения прочности сцепления, плотности и т.д.

в). Термобарьерные покрытия (ТБП)

Применение ТБП позволяет:

- увеличить температуру газового потока,

- улучшить качественные характеристики двигателей,

- уменьшить расход воздуха на охлаждение,

- сэкономить топливо,

-повысить ресурс и надежность деталей, работающих при высоких температурах,

- снизить выброс вредных веществ, что обусловлено более полным сгоранием горючего,

- защитить материал от окисления и воздействия высоких температур.

Наиболее часто в качестве материала ТБП используется окись циркония ZrO_2, что обусловлено:

- низкой теплопроводностью (~ 1 ... 1,8 Вт/мК),

- коэффициентом термического расширения, близким к никелевым сплавам.

Рабочие температуры ТБП составляют -1090 °С.

В настоящее время разрабатываются ТБП нового поколения, в т. ч. на основе фосфата лантана и гексоалюмината лантана. Эти мате­риалы могут эксплуатироваться при температурах 1100 ... 1600 °С.

ТБП обычно состоят из двух слоев:

- верхний керамический слой ZrO₂ воспринимает тепловое и эро­зионное воздействие газового потока и, обладая низкой теплопроводностью, снижает температуру защищаемой детали (лопатки, рубашки камеры сгорания и др.).

- под керамическим слоем находится жаростойкий слой (алюмо-платиновый, Ni Co Cr Al и др.), защищающий базовый металл от окисления и способствующий повышению прочности сцепления керамического слоя с подложкой.

Для уменьшения теплопроводности керамического покрытия и таким образом повышения термозащиты основного металла от окисления, применяют многослойное нанесение керамического покрытия.

Слой окиси циркония имеет толщину - 250 мкм, а слой жаростойкого покрытия Ni Co Cr Al - толщину ~ 80 ... 120 мкм.

В процессе эксплуатации происходит разрушение ТБП из-за воздействия газового потока, ослабления прочности сцепления керамического слоя покрытия с подложкой.

Для нанесения ТБП используются три основных способа:

- осаждение материала, испаренного электронным лучом в вакууме (EB-PVD),

- химическое осаждение паров материала (CVD),

- газотермическое напыление.

ТБП первого поколения наносились плазменным напылением, а для покрытий второго поколения для наиболее ответственных деталей используют испарение керамики электронным лучом.

Керамические покрытия, нанесенные испарением электронным лучом, обладают:

- повышенным сопротивлением термической усталости,

- имеют низкую шероховатость,

- высокую эрозионную стойкость.