3.3. Теплозащитные покрытия для лопаток турбин

Стойкость лопатки турбины современных ГТД в значительной степени определяются возможностями защиты от воздействия высоких температур и агрессивных сред. Охлаждение лопатки воздухом, продуваемым через внутреннюю полость, обеспечивает ее работоспособность в условиях высоких (1000–1200°С) температур металла. Однако дальнейшее повышение температур газа при использовании таких лопаток затруднительно, поскольку оно ведет к увеличению теплового потока, подводимого к этим лопаткам, а улучшение их внутреннего охлаждения трудно осуществимо и ведет к повышению температурного перепада по толщине стенки. Это негативно сказывается на термоциклическом ресурсе лопатки.

Поэтому одним из путей повышения температуры газа при сохранении ресурса лопаток является применение теплозащитных покрытий (ТЗП), обеспечивающих снижение теплопритока к основному материалу лопатки. К типичным покрытиям, применяемым для защиты деталей ГТД, работающих в условиях повышенных температур, относятся теплозащитные покрытия (ТЗП) состоящие из жаростойкого (ЖС) и термобарьерного (ТБ) слоев (рис. 3.8). В этом случае жаростойкие покрытия называют также «подслоем» (bond coat), поскольку непосредственно на него, как правило, наносится керамический ТБ слой. Жаростойкий слой служит для защиты детали от окисления, а термобарьерный слой – для защиты от высокой температуры. Поэтому в практике высокотемпературной защиты деталей под TBC понимают композицию «ЖС+TБ». Стойкость лопатки зависит как от свойств ЖС, так и от ТБ слоев. Лопатки турбин ГТД, в зависимости от назначения и ряда специфических условий эксплуатации, в процессе работы подвергаются различным разрушающим факторам.

Рис. 3.8. Типичное теплозащитное покрытие лопатки турбины высокого давления производства Rolls-Royce [1]:

вверху показана система каналов охлаждения («cooling chanels»); TBC (Thermal Barrier Coating) – термобарьерный слой на лопатке турбины высокого давления и характер изменения температуры (temperatura) по толщине покрытия; TGO (Thermally Grown Oxide) – термически растущий оксид; Substrate – основной материал лопатки («основа», «субстрат»)

Нижеприведенная таблица (табл. 3.3) позволяет сравнить условия работы поверхности деталей газовых турбин.

Т а б л и ц а 3.3

Условия эксплуатации поверхности деталей газовых турбин

[F.S. Pettit and G. W. Goward, Coatings for High Temperature Applications, Applied Science Publishers, 1983]

Разрушающие факторы	Окисление	Горячая коррозия	Диффузион- ный обмен	Термоус-талость
Область использования
Авиационные двигатели	жесткие	умеренные	жесткие	жесткие
Энергетические генераторы наземного базирования	умеренные	жесткие	умеренные	легкие
Энергетические генераторы наземного базирования	умеренные	жесткие	умеренные	легкие

Различие в условиях эксплуатации лопаток ГТД привело к многообразию применяющихся составов и технологий формирования ТЗП. Однако наличие окислительной среды и высокой температуры требует обеспечения во всех случаях эксплуатации высокой жаростойкости покрытий, наряду с такими свойствами как например стойкость к сульфидной коррозии, высокой адгезии слоев, высокой химической стабильности покрытия, минимального отрицательного влияния на длительную прочность деталей и ряда других характеристик. В погоне за более высокими прочностными характеристиками деталей часто достаточно сильно изменяют составы жаропрочных сплавов. Например, последнее поколение суперсплавов для монокристаллических лопаток содержат относительно высокий процент тугоплавких элементов, таких как Ta, W или Re, которые повышают высокотемпературные механические свойства. Однако это приводит к снижению содержания таких химических элементов как Cr и Al, отвечающих за обеспечение жаростойкости детали, что может привести даже к большим их разрушениям. Поэтому роль покрытий в обеспечении защиты деталей турбины ГТД возрастает. Применительно к лопаткам, проблемы защиты от окисления и коррозионная стойкость решаются за счет совершенствования техники и технологии получения защитных покрытий. Одним из направлений повышения защиты является увеличение толщины слоя, стойкого к окислению (рис. 3.9). Механизм защиты заключается в образовании различных окислов, в основном таких, как α-Al₂O₃ (менее предпочтительными являются оксиды Cr). Такие составы обладают достаточно высокими защитными свойствами и отличаются дешевизной. Однако композиции жаростойких слоев в покрытии должны выбираться очень осторожно, исходя из условий обеспечения роста окисла α-Al₂O₃. Известны два типа наиболее широко используемых жаростойких подслоя под ТЗП– это алюминиды (NiAl или Ni₂Al₃) и MеCrAlY (где Mе является Fe и/или Cr). Они могут быть получены диффузионным насыщением поверхности, плазменным напылением или электроннолучевым испарением и конденсацией в вакууме (EB PVD). При низком содержании Al в покрытии может образовываться оксид, отличный от α-Al₂O₃ природы, состав которого зависит от состава покрытия.

Рис. 3.9. Oптимальные композиции покрытий относительно окисления

и сопротивления горячей коррозии [2]

[M. Schütze. Corrosion and Environmental Degradation. Vol. II, Wiley-VCH, 2000]

Алюминиды. Современные условия эксплуатации лопаток ГТД связаны с очень высокими температурами, что делает проблемы обеспечения жаростойкости достаточно актуальными. Хотя защитные свойства алюминидных покрытии и ограничены, тем не менее они еще находят достаточно широкое применение. Диффузионные алюминидные покрытия основаны на интерметаллидной композиции β-NiAl (рис. 3.10). Несмотря на то, что существуют различные процессы их формирования, химико-термическая обработка в контейнере является наиболее широко используемой, поскольку в результате применения этого процесса получают дешевые и качественные покрытия для малогабаритных деталей.

Рис. 3.10. Фазовая диаграмма Al-Ni [3]

Химико-термическая обработка в контейнере подпадает под категорию CVD (chemical vapour deposition). В этом процессе покрываемые детали кладут в порошок, содержащий Al₂O₃ и частички алюминия, (процесс проводят при температуре 800–1000^oC в среде аргона или водорода). Активность алюминия поддерживается на поверхности основного материала детали, устанавливая два типа механизма формирования покрытия: низкой и высокой активности, направляя процессы диффузии извне и вовнутрь соответственно (рис. 3.11). При химико-термической обработке в процессе с высоким содержанием AL (высокоактивный – внутрь), покрытие формируется главным образом диффузией алюминия вовнутрь, в результате чего формируется Ni₂Al₃ и, возможно, β-NiAl. Температура – более низкая (700–950^oC).

а б

Рис. 3.11. Микроструктура двух видов алюминидных покрытий

на суперсплавах [3]:

а – высокоактивный – «диффузия внутрь»; б – низкоактивный – «диффузия наружу»

Структура и состав покрытий зависит также от структуры состава основного материала детали. Покрытие должно быть «приспособлено» под покрываемый сплав. Одними из недостатков алюминидных покрытий являются: недостаток пластичности при температурах ниже 750^oC и низкая термомеханическая усталость. Структура и свойства основного материала детали, также как процесс формирования покрытия, оказывает достаточно сильное влияние на конечную структуру и свойства системы «покрытие–основа». В низкоактивных («диффузия наружу») покрытиях металлы, находящиеся в основном материале детали, также будут диффундировать в слои покрытия, ограничиваясь их растворимостью. Типичная микроструктура низкоактивного алюминидного покрытия приведена на рис. 3.12. Внешняя зона представляет собой типичную зону Al, обогащенную β-NiAl, в то время как внутренняя зона обогащена Ni.

Рис. 3.12. Схематическая иллюстрация алюминидного покрытия,

полученного низкоактивным диффузионным насыщением [4]

В высокоактивных («диффузия внутрь») покрытиях (рис. 3.13) они формируются, внедряясь в материал основы, MеCrAlY покрытия представляют двухфазную микроструктуру β+γ. Присутствие γ-фазы увеличивает пластичность покрытий, таким образом улучшая термоусталостное сопротивление.

а б

Рис. 3.13. Схематическая иллюстрация алюминидного покрытия, полученного высокоактивным диффузионным насыщением [4]:

а – схема, иллюстрирующая микроструктуру MеCrAlY; ТРО – термически растущий оксид; б – диффузия Al в слой оксида и основной материал детали в результате исчерпания содержания β-фазы

Так, для покрытий β-NiAl в результате воздействия высокой температуры происходит расход Al как за счет температурного роста оксида (TGO – thermally grown oxide), так и за счет диффузии в основу. Так как количество Al уменьшается, то β-фаза имеет тенденцию к постепенному уменьшению. По этой причине это часто характеризуется как хранилище алюминия, и ресурс покрытия часто определяется сроком исчерпания β-фазы. В высокоактивных покрытиях такие химические элементы как Ti, находящиеся в сплаве, отрицательно влияют на жаростойкость покрытия за счет образования кристаллического

Легирующие элементы

Mе – в системе MеCrAlY, в зависимости от основного материала детали, используется либо Ni, либо Co, либо их комбинация (применительно к деталям из сталей это может быть также Fe). Покрытия на основе Co являются лучшими для защиты от коррозии.

Cr – обеспечивает защиту от высокотемпературной коррозии, но его содержание в покрытии ограничивается эффектом воздействия на подложку и формированием богатой хромом фазы в покрытии.

Al – обычное содержание в покрытии около 10–12 весовых процентов. Поскольку окисление существенным образом контролируется содержанием Al, то возникает соблазн увеличения содержания алюминия в покрытии. Однако такое увеличение алюминия приводит к снижению пластичности покрытия [5] .

Подслой ТЗП состава MеСrAlY также обычно содержит 1 весовой процент иттрия (Y), который повышает адгезию окисного слоя. Иттрий помогает формировать в оксиде стерженьки, связывающие за счет «анкерного» эффекта слой оксида с покрытием. Однако основной эффект использования иттрия заключается в том, что он образует соединение с серой, которое не допускает отделения окисного слоя. Подобный эффект также может быть получен за счет использования добавок гафния (Hf) [6] .

Было обнаружено [7], что кремний (Si) значительно улучшает сопротивление циклическому окислению, однако это также снижает температуру плавления покрытия. Так, например, 5 весовых процентов кремния достаточно, чтобы снизить температуру плавления до 1140^oC. Поэтому для условий циклического окисления при 1000^oC, оптимальным является содержание кремния 2,5 весовых процентов. Добавки рения (Re) показали, что происходит улучшение сопротивления изотермическому или циклическому окислению, а также термоциклической усталости[8]. Добавки тантала (Ta) также повышает сопротивление окислению.

Использование подслоя платины. Одним из недостатков алюминидных покрытий является то, что NiAl покрытия испытывают существенные интердиффузионные процессы, в результате чего β-фаза преобразуется в γ'-фазу.

Идея диффузионного барьера привела к созданию платино-алюминидных покрытий (рис. 3.14), процесс формирования которых аналогичен процессу получения алюминидных покрытий, с той лишь разницей, что перед нанесением алюминидного покрытия на основу гальваническим методом наносят слой платины [9].Слой платины составляет 5–10 мкм. Хотя и стоимость платины достаточно высока, тем не менее, она окупается, поскольку ресурс лопатки увеличивается более чем в 3 раза. При этом платина не только создает диффузионный барьер для титана, но и усиливает диффузию алюминия. В процессе эксплуатации платина проявляется в основном материале из никелевого сплава в виде PtAl₂. Способ формирования связующего подслоя, содержащего платину и алюминий, описан также в патенте США № 5856027. Слой платины формируют на подложке из специального сплава путем электроосаждения перед нанесением алюминия путем химического осаждения из паровой фазы, при необходимости – с вводом реакционноспособных элементов. Получаемый подслой представляет зону внутренней диффузии, в которой присутствует никель в результате диффузии из подложки.

Рис. 3.14. Керамическое теплозащитное покрытие с подслоем, содержащим платину (Пат. США № 7311981. «Gas turbine part provided with a protective coating» / SNECMA/2007)

В покрытии платина ведет себя подобно иттрию в покрытиях системы MеCrAlY. В этих покрытиях иттрий взаимодействует с серой, что значительно повышает ресурс покрытий [10]. Покрытия, получаемые испарением и конденсацией материалов в вакууме, отличаются от шликерных технологией формирования и возможностями модифицирования. К типичным составам таких покрытий также относятся покрытия составов MеСrAlY (Mе=Fe, Co или Ni) и содержащих по крайней мере четыре химических элемента. При этом использование хрома придает этим покрытиям хорошие коррозионные и жаростойкие свойства.

Для получения подслоя под ТЗП возможно также использование технологий нанесения покрытий, основанных на методе атмосферно-плазменного или плазменного напыления низкого давления.