3.2.3. Комбинированные покрытия

Данный класс жаростойких покрытий для лопаток турбины активно разрабатывается в последние годы. Такие покрытия называют еще комплексными [1] или градиентными [19].

Как правило, комбинированные покрытия состоят из нескольких слоев, получаемых с использованием различных технологий. Подобное вызвано тем, что для деталей, имеющих сложные поверхности, включая и внутренние полости, требуется обеспечить их работоспособность из условия различной повреждаемости указанных поверхностей. В результате возникает задача конструирования защитных покрытий, способных обеспечить требуемую эксплуатационную надежность деталей.

Вышесказанное целесообразно пояснить примером. Так, согласно данным авторов работы [19], для лопаток турбины с развитой системой охлаждения необходимо обеспечить не только защиту внешней трактовой поверхности от газового потока, содержащего продукты сгорания топлива, но и внутреннюю полость и перфорационные отверстия, поверхность которых подвержена активному окислению. Различия условий работы защитных покрытий на наружной поверхности пера лопаток и во внутренней полости накладывают определенные условия на принципы конструирования защитных покрытия для лопаток турбины из жаропрочных сплавов. Температура внешней и внутренней поверхностей лопаток турбин при современном уровне тепловых потоков в двигателе отличается на 200…250С, а внешняя трактовая поверхность лопаток работает при температурах до 1250С. Защита поверхности внутренней полости и перфорационных отверстий охлаждаемых лопаток турбины имеет очень важное значение, так как в большинстве случаев разрушение лопаток начинается с зарождения микротрещин на этих поверхностях.

При конструировании комбинированных жаростойких покрытий всегда следует иметь в виду, что некоторые методы позволяют наносить покрытия как на внешнюю, так и на внутреннюю поверхность сложнопрофильных деталей. Другие же методы позволяют покрывать только внешние поверхности. При нанесении покрытий следует также учитывать совместимость различных покрытий и возможность использования технологических приемов при наличии на поверхности определенного типа покрытия. Например, некоторые типы покрытий требуют проведения высокотемпературного отжига, а некоторые этого не требуют. Немаловажное значение имеет и температура такого отжига, которая может колебаться от 950 до 1100С.

Исходя из высказанных положений, авторы работы [20] для защиты от высокотемпературной газовой коррозии внутренней полости и внешней трактовой поверхности лопаток турбин из жаропрочного никелевого сплава ЖС36ВИ разработали комплексное градиентное покрытие, состоящее из трех слоев: CrAl + Ni-Cr-Al-Ta-Re-Y + Al-Ni-Cr-Y. Первый слой наносится с использованием газово-циркуляционного метода, а два последующих – с применением ионно-плазменной технологии. Такое покрытие предназначено для защиты лопаток турбины двигателей с температурой газа на входе в турбину 1550С. В данном покрытии градиент концентрации по алюминию на межслойных границах стабилизирует структурное и фазовое состояние всего покрытия в целом, а легирование внутреннего слоя рением и танталом значительно повышает термостабильность за счет снижения диффузионной проницаемости.

Рассмотренный пример наглядно показывает необходимость применения комбинированного покрытия в сложных условиях работы лопаток. Так, диффузионное хромалитирование требуется как для защиты внутренней полости, так и для создания подслоя перед нанесением ионно-плазменных покрытий. Наличие двойного слоя ионно-плазменных покрытий связано, во-первых, с необходимостью создания барьерного слоя на пути диффузии элементов покрытия между слоями, а во-вторых, с необходимостью повышения в верхних слоях покрытия большего запаса алюминия, который будет расходоваться на формирование защитной оксидной пленки при высоких температурах в процессе эксплуатации.

На основе ионно-имплантационных и ионно-плазменных методов, авторами были разработаны технологии получения жаростойких покрытий повышенной стабильности для защиты лопаток турбомашин от высокотемпературной коррозии.

1. Способ получения жаростойкого покрытия. Способ включает ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки, вакуумно-плазменное нанесение на лопатку жаростойкого слоя и последующую термообработку покрытия. Ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки проводят ионами по крайней мере одного из элементов N, Pd, Ag, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si. Жаростойкий слой наносят из сплава состава: Si – от 4,0 до 12,0%; Y – от 1,0 до 2,0%; Al – остальное, в среде азота в вакууме при периодической имплантации ионами по крайней мере одного из элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, Pd, Ag, с получением жаростойких микро- и нанослоев, разделенных имплантированными микро- и нанослоями. Технический результат – повышение жаростойкости покрытия при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с покрытием (Пат. РФ № 2435872, МПК C23CC23C30/00. Способ получения жаростойкого покрытия на лопатках турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок / А. Д. Мингажев и др., Бюл. № 34, 2011).

2. Способ получения покрытий состоит в следующем. Лопатки размещают в вакуумной камере, проводят подготовку их поверхности и осуществляют вакуумно-плазменное нанесение жаростойкого покрытия состава Cr 18–30%, Al 5–13%, Y 0,2–0,65%, Ni – остальное при подаче в вакуумную камеру установки бора или смеси бора с азотом, или смеси бора с углеродом, в концентрации, достаточной для образования в формируемом слое соответственно боридов или их комплексных соединений с металлами. Нанесение жаростойкого слоя чередуют с периодической имплантацией ионами одного или нескольких элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, Pd, Ag, N, С, B, W, V, Ti, Zr, которую каждый раз проводят до образования микро- или нанослоя, обеспечивая разделение всего жаростойкого слоя на микро- или нанослои, образованные как в результате имплантации ионов, так и в результате нанесения материала жаростойкого слоя без имплантации ионов. Обеспечивается повышение жаростойкости покрытия при одновременном повышении выносливости и циклической прочности лопаток (Пат. РФ № 2441101, МПК C23C30/00. Способ получения жаростойкого покрытия на лопатках газовых турбин / А. Д. Мингажев и др., Бюл. № 3, 2012).

3. Технология предназначена для нанесения жаростойких или теплозащитных покрытий на лопатки энергетических и транспортных турбин, в особенности, газовых турбин авиадвигателей. Лопатки размещают в вакуумной камере, подготавливают поверхность лопатки под нанесение покрытия и осуществляют вакуумно-плазменное нанесение жаростойкого покрытия состава Si 4,0–4,5%, Y 1,6–2,0%, Аl – остальное или Si 4,0–12,0%, Y 1,6–2,0%, Аl – остальное, или Si 4,0–12,0%, Y 1,6–2,0%, Аl – остальное, при подаче в вакуумную камеру бора или смеси бора с азотом, или смеси бора с углеродом, в концентрации, достаточной для образования в формируемом слое соответственно боридов или их комплексных соединений с металлами, обеспечивающих торможение диффузионных процессов в покрытии при эксплуатации лопатки. Нанесение жаростойкого слоя чередуют с периодической имплантацией ионами одного или нескольких элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, Pd, Ag, N, С, B, W, Ti, Zr, которую каждый раз проводят до образования микро- или нанослоя, обеспечивая разделение всего жаростойкого слоя на микро- или нанослои, образованные как в результате имплантации ионов, так и в результате нанесения материала жаростойкого слоя без импланатции ионов. Обеспечивается повышение жаростойкости покрытия при одновременном повышении выносливости и циклической прочности лопаток (Пат. РФ № 2441102, МПК C23C30/00. Способ получения жаростойкого покрытия на лопатках турбомашин / А. Д. Мингажев и др., Бюл. № 3, 2012).

4. Технология относится к методам нанесения защитных покрытий на лопатки энергетических и транспортных турбин, в частности газовых турбин авиадвигателей. Технический результат – повышение жаростойкости покрытия при одновременном повышении его выносливости и циклической прочности деталей с покрытием. Способ включает ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки, формирование внутреннего жаростойкого слоя и нанесение внешнего жаростойкого слоя с его ионной имплантацией. Ионно-имплатационную обработку поверхности лопатки производят ионами одного или нескольких элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si. При этом в качестве материала для формирования внутреннего жаростойкого слоя используют сплав состава: Cr – 18 до 30%, Al – 5 до 13%, Y – от 0,2 до 0,65%, Ni – остальное. В качестве материала для формирования внешнего жаростойкого слоя используют сплав состава: Si – от 4,0 до 12,0%; Y – от 1,0 до 2,0%; Al – остальное. Причем нанесение внешнего жаростойкого слоя чередуют с периодической имплантацией ионами одного или нескольких элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, с формированием внешнего жаростойкого слоя в виде микрослоев, разделенных имплантированными микро- или нанослоями (Пат. РФ № 2441104, МПК C23C30/00. Способ получения жаростойкого покрытия / А. М. Смыслов и др., Бюл. № 3, 2012).