Список литературы к п. 3.3

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

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

3. Eskner M. PhD thesis, Royal Insitute of Technology. Stockholm.

4. Schematic illustration of aluminide coating obtained by low activity pack cementation / After R. Pichoir, in High Temperature Alloys for Gas Turbines, D. Coutsouradis et al., eds. Appl. Sci. Pub., London, 1978. Р. 191.

5. Sivakumar R. et al. High temperature coatings for gas turbine blades: a review. Surf. Coat. Techn., 37, 1989. Р. 139–160.

6. Smeggil J. L. Some comments on the role of yttrium in protective oxide scale adherence. Mater. Sci. Eng., 87, 1987. Р. 261–265.

7. Nicoll A. R. et al. The effect of alloying additions on MCrAlY systems – An experimental study. Thin Solid Films, 95,1992. Р. 21–34.

8. Czech et al. Improvement of MCrAlY coatings by additions of rhenium. Surf. Coat. Techn., 68, 1994. Р. 17–21.

9. M. Schütze ed. Corrosion and Environmental Degradation. Vol. II, Wiley-vch, London, in Materials Science and Technology series.

10. Evans A. G. et al. Mechanisms controlling the durability of thermal barrier coatings. Prog. Mater. Sci., 46, 2001. Р. 505–553.

11. Strangman T. E. Thermal barrier coatings for turbine airfoils. Thin Solid Films, 127, 1985. Р. 93–105.

12. Evans A. G. et al. Mechanisms controlling the durability of thermal barrier coatings. Prog. Mater. Sci., 46, 2001. Р. 505–553.

13. Материалы сайта ОАО НПО «ЦНИИТМАШ». Институт технологии поверхности и наноматериалов, отдел покрытий и оборудования. Режим доступа: http://coatings-pvd.ru/nanoarc.php.

14. Материалы сайта НПФ «ПЛАЗМАЦЕНТР». Санкт-Петербург, Россия.

15. Материалы сайта «Серматек инт. корп.» (www.sermatech.com).

16. Пат. РФ № 2325467, МПК C23C 4/10. Способ получения создающего термический барьер покрытия / Я. Вигрен, М. Ханссон. Вольво аэро корп., 2008.

17. Пат. РФ № 2305034, МПК C23C 14/16 . Способ получения защитного покрытия на деталях / Ю. С. Елисеев, Н. В. Абраимов, Ю. П. Шкретов, А. М. Терехин. ФГУП "ММПП "САЛЮТ", 2007.

18. Пат. РФ № 2287609, МПК C23C 14/14. Способ изготовления на подложке из специального сплава защитного покрытия, образующего тепловой барьер / С. Р. Бертран, Н. Джон. Снекма моторс, 2003.

19. Абраимов Н. В. Высокотемпературные материалы и защитные покрытия для газовых турбин / Н. В. Абраимов. М.: Машиностроение, 1993.

20. Пат. РФ № 2261334, МПК F01D5/08. Многослойное высокотемпературное теплозащитное покрытие / Н. Г. Бычков, А. В. Першин. ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», 2005.

21. Елисеев Ю. С. Химико-термическая обработка и защитные покрытия в авиадвигателестроении / Ю. С. Елисеев, Н. В. Абраимов, В. В. Крымов. М.: «Высшая школа», 1999 .

3.4. Специальные конструкционные покрытия

Охлаждение лопатки воздухом, продуваемым через внутреннюю полость, обеспечивает их работоспособность при высоких (1000...1200°С) температурах. Изменения температуры имеют циклический характер, связанный с циклической работой газотурбинного двигателя. Большая неравномерность температурного поля по толщине (перепад температур порядка 50...100°С) приводит к появлению больших циклических знакопеременных напряжений. Возникновение термических напряжений обусловлено неравномерным расширением материала детали при ее неравномерном нагреве, когда более нагретые участки, расширяясь, оказываются стесненными более холодными участками. Уровень напряжений в некоторых частях лопатки может превышать предел упругости. В результате действия больших напряжений при высоких температурах материал получает значительные знакопеременные деформации, приводящие к быстрому, за 500–5000 циклов, разрушению лопаток. Наряду с теплозащитными керамическими покрытиями для защиты лопаток от высокотемпературного воздействия ведутся разработки конструкционных покрытий, позволяющих за счет использования каналов охлаждения, расположенных либо под покрытием (оболочковые лопатки), либо непосредственно в покрытии (каналированные покрытия).

Разработки оболочковых лопаток начались в 1947 г. [1]. Однако возникшие технологические сложности не позволили за короткое время реализовать эти покрытии в производственных условиях.

Технология изготовления этих покрытий заключается в формировании на поверхности пера лопатки каналов охлаждения, заполнении этих каналов удаляемым наполнителем и нанесением покрытия, с последующим удалением из каналов наполнителя и образованием оболочки, закрывающей охлаждающие каналы лопатки (рис. 3.18.[1] и 3.19. [2]).

Рис. 3.18. Схема получения оболочкового покрытия на лопатке [1]:

а – схема расположения каналов охлаждения на поверхности пера лопатки;

б – сечение пера лопатки с каналами охлаждения; в – каналы с наполнителем;

г – сечение лопатки после нанесения покрытия; д – образование каналов после удаления наполнителя;1 – лопатка; 2 – каналы; 3 – поверхность пера для соединения с оболочкой, формируемой при нанесении покрытия; 4 – наполнитель; 5 – оболочка лопатки

Рис. 3.19. Конструкция лопатки с оболочковым покрытием [2]:

1 – лопатка; 2 – оболочка; 3 – каналы охлаждения

В патенте [3] представлена оболочковая лопатка с дополнительными перфорациями непосредственно в оболочке для создания дополнительного пленочного покрытия (рис. 3.20).

Рис. 3.20. Схема перфорированного оболочкового покрытия [3]:

1 – лопатка; 2 – перфорации в лопатке; 3 – выступы, в виде усеченных конусов;

4 – пространство между оболочкой и лопаткой; 5 – перфорации в оболочке;

6 – внешняя оболочка

К покрытиям с каналами, находящимися непосредственно в покрытии относятся следующие виды.

Многослойное металлокерамическое теплозащитное покрытие [Патент США № 6551061/2003], нанесенное на поверхность лопатки имеет керамический пористый слой на основе ZrO₂, нанесенный поверх конденсированного металлического подслоя, в котором выполнены малоразмерные каналы (ширина от 0,01 до 0,1 мм). При этом обеспечивается образование каналов над ними. По каналам подают воздух, который через поры выходит на поверхность лопатки, обеспечивая образование защитной воздушной пленки и охлаждение поверхности лопатки.

В патенте [5] (рис. 3.21) представлено многослойное теплозащитное покрытие пера, содержащее металлический подслой с выполненными в нем воздушными каналами и с нанесенным на него пористым керамическим слоем. На керамический слой снаружи нанесен верхний металлический слой. Воздушные каналы выполнены в виде соосных отверстий, часть из которых проходит через стенку пера лопатки, металлический подслой и керамический слой, а часть – через керамический и верхний металлический слои, образуя пневматическую связь между внутренней полостью лопатки и ее поверхностью через пористый керамический слой. Керамический слой образован керамическими столбчатыми волокнами. Каждый нанесенный на перо лопатки металлический слой расположен таким образом, что слой, имеющий меньший коэффициент линейного расширения, находится в зоне действия большей температуры, а слой с большим коэффициентом линейного расширения находится в зоне действия меньшей температуры.

а б

Рис. 3.21. Лопатка с оболочковым конструкционным покрытием [4]:

а – заготовка; б – лопатка с покрытием-оболочкой;1 – перо; 2 – каналы охлаждения;

3 – хвостовик; 4 – оболочка-покрытие

Покрытие с каналами охлаждения, выполненное в виде оболочки, соединенной с поверхностью лопатки через перегородки, представлено в патенте [6] (рис. 3.22).

Рис. 3.22. Оболочковое покрытие [6]:

1 – лопатка; 2 – каналы; 3 – система перегородок; 4 – внешняя оболочка

Теплозащитное керамическое покрытие с внутренними каналами охлаждения [7] представляет из себя двухслойное ТЗП (рис. 3.23), в котором расположены каналы охлаждения. В связи с пористостью внешнего керамического слоя такое покрытие обеспечивает тройную защиту: во-первых за счет теплозащиты керамического слоя, во-вторых – за счет охлаждения самого покрытия, и в-третьих – за счет пленочного охлаждения лопатки.

Рис. 3.23. Теплозащитное покрытие с каналами охлаждения [7]:

1 – лопатка; 2 – подслой; 3 – каналы; 4 – керамический слой

Теплозащитное керамическое покрытие с внутренними каналами охлаждения, предложенное фирмой Дженерал Электрик, представляет собой многослойное покрытие, в котором слой, связующий покрытие и основной материал лопатки, выполнен дискретным [8] (рис. 3.24). В результате этого, кроме эффекта охлаждения, который обеспечивают каналы в связующем слое, возникает демпфирующий эффект, связанный с несплошностью связующего слоя.

Рис. 3.24. Теплозащитное покрытие с каналами охлаждения в подслое [8]:

1 – лопатка; 2 – поверхность пера лопатки; 3 – жаростойкий слой; 4 – керамический слой;

5 – каналы; 6 – дискретный связующий слой; 7 – адгезионный подслой

Вариант способа получения теплозащитного покрытия, включающего нанесение на поверхность пера лопатки удаляемые элементы, представлено в разработках Дженерал Электрик [8] (рис. 3.25)

Рис. 3.25. Теплозащитное покрытие с каналами охлаждения в подслое [8]:

1 – лопатка; 2 – керамический слой; 3 – жаростойкий слой; 4 – каналы; 5 – процесс удаления наполнителя; 6 – жаростойкий слой с каналами; 7 – удаляемые элементы

В табл. 3.4 приведены основные характеристики конструкционных покрытий и их сравнение с традиционными.

Т а б л и ц а 3.4

Основные характеристики конструкционных покрытий [4]

Покрытие	Назначение (агрессивная среда) и область применения	Максимальная рабочая температура, 0С	Минимальное увеличение срока службы (ресурс эксплуатации, ч.)
1	2	3	4
Эррозионностойкие и коррозионностойкие покрытия
ЦП-Э-ЗРП-500	Эррозионностойкое покрытие (капельная эррозия). Запорная и регулирующая арматура атомных и тепловых станций	500	В 7 раз
ЦП-ЭК-ЛП-500	Коррозионностойкое и эррозионностойкое покрытие (солевая коррозия, начало капельной эрозии). Лопатки паровых турбин	500	В 4 раза
ЦП-Ф-АЗ-500	Фрикционная, износостойкая, задиростойкая система покрытий. Аварийные заслонки АЭС атомных электростанций	500	В 8 раз
ЦП-ЭК-С-500	Коррозионностойкое, эррозионностойкое покрытие. Сварные швы разнородных материалов (цирконий – нержавеющая сталь)	500	В 2 раза превосходит покрытие хромом

Продолжение табл. 3.4

1		2	3	4
Конструкционные и жаростойкие покрытия
ЦП-ЖК-ТЛ-950	Конструкционное покрытие для оболочковых турбинных лопаток с высокоэффективным охлаждением, повышающее усталостную прочность		950	Увеличение усталостной прочности до 15%
ЦП-ЖС-ТЛ-950	Жаростойкое покрытие. Турбинные лопатки, подвергающиеся высокотемпературной сульфидно-окисной коррозии		950	До 1000 ч.
ЦП-ЖС-ТЛ-850	Жаростойкое покрытие. Турбинные лопатки, подвергающиеся высокотемпературной сульфидно-окисной и ванадиевой коррозии		850	До 30000 ч.
ЦП-ЖСС-ТЛ-950	Жаростойкое покрытие. Турбинные лопатки, подвергающиеся высокотемпературной сульфидно-окисной коррозии в присутствии солей (морское / приморское базирование)		950	До 1000 ч.
ЦП-ЖСУ-ТЛ-850	Жаростойкое покрытие, повышающее усталостные характеристики лопаток. Турбинные лопатки, подвергающиеся высокотемпературной сульфидно-окисной и ванадиевой коррозии		850	Увеличение усталостной прочности до 15%. До 30000 ч.

Окончание табл. 3.4

1	2	3	4
ЦП-ЖСГ-ТЛ-950	Жаростойкое покрытие. Турбинные лопатки с большими перепадами температур по профилю пера, с изменяющимися условиями коррозионного воздействия по профилю пера	850 950	До 30000 ч. До 1500 ч.

Нанопокрытия. Микрозернистые по структуре вакуумно-дуговые покрытия на основе соединений тугоплавких металлов характеризуются высокой твердостью (20...35 ГПа), износостойкостью, низкими коэффициентами трения, однако их недостаток – значительная хрупкость, что ухудшает эксплуатационные характеристики покрытий.

В настоящее время появляется возможность получения новых вакуумных нанопокрытий с размерами зерен менее 100 нм, такие покрытия обладают улучшенными механическими характеристиками (рис. 3.26 и 3.27).

а б

Рис. 3.26. Нанокомпозитная структура [4]:

а – схематическая модель; б – микрофотография

Рис. 3.27. Структура нанослойного магнетронного покрытия [4]

Анализируя существующие нанопокрытия, можно выделить три основные группы:

1) Наноструктурные покрытия, в отличие от традиционных, совмещают в себе повышенную микротвердость и достаточную пластичность. Поведение нанокристалических материалов с размерами зерен 10 нм и менее определяется главным образом процессами в пограничных областях, поскольку количество атомов в зернах сравнимо или меньше, чем в их границах. Это обстоятельство существенно изменяет характер взаимодействия между соседними зернами, например, тормозит генерацию дислокаций, препятствует распространению трещин из-за упрочнения границ зерен. При этих условиях дислокации в нанозернах отсутствуют.

2) Нанокомпозитные покрытия состоят из основной нанокристаллической твердой фазы, на границах зерен которой располагается тонкий слой второй нанокристаллической или наноаморфной фазы (рис. 3.25). Таким образом, твердые зерна упрочняющей фазы разделены между собой тонкими прослойками атомов другой фазы. Такие покрытия обладают сверхвысокой твердостью, большими коэффициентами упругого возврата, высокой термостойкостью.

3) Нанослойные покрытия (рис. 3.26) обладают повышенной трещиностойкостью. Предпосылки для их получения возникли еще 20 лет назад, при разработке многослойных покрытий на основе TiN/NbN, TiN/VN, (TiAl)N/CrN и другие, с чередующимися слоями металлов или соединений. Нанослойные покрытия обладают различными внутренними напряжениями (модулями упругости) и близкими по величине коэффициентами термического расширения. Толщина отдельных слоев должна быть настолько мала, чтобы внутри них не появлялся источник дислокаций, а дислокации, которые под действием напряжений двигались бы к границе раздела из более мягкого слоя, отталкивались бы силами, создающимися упругими напряжениями в более твердом слое. Общее количество слоев покрытия выбирается в зависимости от решаемых технологических задач и в ряде случаев может достигать двухсот.

Для повышения эксплуатационных свойств деталей машин, находящихся в условиях интенсивного трения, относительно высоких температур, знакопеременных и вибрационных нагрузок используются износостойкие покрытия (табл. 3.5 и 3.6). Современные промышленные установки позволяют получать покрытия с достаточно широким диапазоном свойств, отвечающим условиям эксплуатации деталей машин. Для каждого типа деталей разрабатываются определенные типы покрытий и режимы их нанесения. Например, благодаря уникальной магнитной системе планарного мультикатодного дугового испарителя, содержание капельной фазы в покрытиях сведено к минимуму, что обеспечивает минимальный коэффициент трения между инструментом и деталью.

Т а б л и ц а 3.5

Износостойкие покрытия [4]

№	Состав покры-тия	Конструкция (структура) покрытия	Тол-щина, мкм	Микротвер-дость HV	Температур-ная cтойкость [°C]	Коэф. трения
1	TiN	однослойное	3–5	2900	600	0,64
2	TiCN	однослойное	1–3	4000	4 00	0,46
3	CrN	однослойное	3–8	2500	700	0,55
4	TiAlN	однослойное	2–5	2600	800	0,46
5	AlTiN + DLC	градиентное	3–5	3100	900	0,3
6	а- С:H:Me	нанокомпозит-ное	1–10	800–1800	400	0,1–0,2
7	a-C:H:Me + a-C:H	нанокомпозит-ное	1–5	1500–3000	400	0,02–0,1
8	B D	нанокомпозит-ное	1–20	3000–4000	800	0,4–0,7

Т а б л и ц а 3.6

Триботехнические покрытия [4]

№	Состав покры-тия	Конструкция (структура) покрытия	Тол-щина, мкм	Микротвер-дость HV	Температур-ная cтойкость [°C]	Коэф. трения
1	а- С: H:Me	нанокомпозит-ное	1–10	800–1800	400	0,1–0,2
2	Cr N	нанокомпозит-ное	1–50	1200–2500	750	0,4–0,6
3	TiN	однослойное	1–8	2000–2600	500	0,5–0,7

Контрольные вопросы

1. Основные методы нанесения защитных покрытий.

2. Возможности метода нанесения плазменных покрытий в обеспечении эксплуатационных свойств деталей.

3. На какие основные виды подразделяются методы нанесения жаростойких покрытий?

4. Возможности ионно-плазменных методов нанесения покрытий в обеспечении эксплуатационных свойств деталей.

5. Возможности магнетронного метода нанесения покрытий в обеспечении эксплуатационных свойств деталей.

6. Возможности электронно-лучевого метода нанесения покрытий в обеспечении эксплуатационных свойств деталей.

7. Особенности структуры и свойств нанослойных покрытий.

8. Какие покрытия относят к конструкционным?

9. В чем функциональное сходство и отличие конструкционных и теплозащитных покрытий?

10. Особенности наноструктурных, нанокомпозитных и нанослойных покрытий.