7. Создание термостойкого покрытия на

РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ПЕРА ЛОПАТКИ.

К надежности и долговечности ГТД, работающих в условиях агрессивных сред, высоких температур, топлив содержащих серу, в пылевлагонасыщенных районах, когда имеет место попадание солей натрия и кальция в проточную часть двигателя предъявляют жесткие требования к материалам и технологии получения защитных покрытий (ЗП) рабочей части пера лопатки.

Алюминидные и вакуумные одно- и двухслойные жаростойкие покрытия имеют ограниченный ресурс (400 - 500 часов).

Повышение ресурса серийных ГТД до 1500 часов и выше; установление ресурса на конверсируемых изделиях серии НК не менее 50000 часов привело к совершенствованию этих защитных покрытий [24,25].

В технологии создания термостойких защитных покрытий высоконагруженных деталей используются различные методы:

• электроннолучевое испарение и конденсация в вакууме;

• вакуумно-плазменная технология высоких энергий;

• плазменное и вакуумно-плазменное напыление в динамическом вакууме;

• денатационное напыление;

• диффузионное насыщение.

Сущность электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме заключается в том, что электрон после прохождения через электрическое поле с разностью потенциалов ускорения приобретает энергию

Еи = 0,5 movo2 = eu. (масса, скорость, заряд электрона).

Первоначально покоящийся электрон пройдя через поле с разностью в 1 в., имеет скорость v = 595 км/с. При столкновении летящих электронов с поверхностью металла его кинетическая энергия расходуется на возбуждение ренгновских излучений образование вторичных электронов и нагрев [26]. Потеря на ренгеновском излучении составляет 0,1.

Нагрев и испарение напыляемого материала осуществляется в специальных установках (рисунок 3.13). Из медных тиглей с охлаждаемыми стенками и дном, которые вертикально перемещаются происходит испарение материала. Для этого используются литые трубные катоды. Напыление осуществляется плазменными струями. Сжатие дуги в сопле плазмотрона (рисунок 3.14) обеспечивает повышение температуры до 10000 - 15000 К. Скорость движения потока достигает скорости звука. Этим методом возможно напыление любого материала. Низкое давление 1,6410³ - 1610³ Па (вакуум) обеспечивают получение защитных покрытий на алюминиевой основе (Al - Ni, Al - Cr, Al - Si) из порошковых смесей с галогенидными активаторами. При температуре 773 - 1473 К протекает реакция:

NH4Cl = Nh4 + HCl

2 NH3  2N = 3H2.

При диффузитонном покрытии обеспечивается хорошее сцепление слоя с основой.

Однослойные многокомпазиционные ( Me - Cr - Al - Y) покрытия исчерпали свой ресурс (300 - 400 часов).

Совершенствование технологии и средств нанесения многослойных теплозащитных металлокерамических покрытий (ТЗП) и улучшение их качественных показателей термическими способами находят все большее применение в производстве ГТД [27, 28]. В качестве керамического материала при создании ТЗП используются низко теплопроводные оксиды на основе ZrO2; Al2O3; CeO2; Y2O3; BeO; HfO2 и т. д. Структура слоя металл-керамика имеет следующую форму и состав:

ZrO2 - Y2O3
Me - Cr - Al – Y	 подслой иттрий
Подложка

Керамический слой наносится на подслой иттрия плазменным напылением или охлаждением в вакууме. Оптимальное содержание компонент в металлическом подслое иттрия обеспечивает качественное соединение слоев.

Трехслойное термобарьерное покрытие имеет вид:

ZrO2 – MgO	170 мкм.
керамика – металл 65 + 35	115 мкм.
Ni - Cr - Al – Y	100 мкм.

Подложка

Создание таких покрытий обеспечивает повышение надежности и долговечности работы наиболее нагруженных элементов ГТД.

Структура керамических покрытий в зависимости от способов нанесения слоев отличается. Так при использовании плазменного напыления формируется слоистая, арочная схема, а при использовании электронно-лучевого напыления - столбчатая. С целью улучшения качественных показателей работы столбчатой структуры керамического многослойного покрытия используются термические приемы, позволяющие в процессе создания слоя обеспечивать упрочнение поверхности термобарьерного покрытия.

В процессе нанесения многослойного покрытия используется электронно-лучевая установка УЭ-175М и многоместная оснастка, обеспечивающая сложные пространственные перемещения заготовок в паровом потоке. Движение заготовок в данной технологической системе осуществляется с помощью автоматизированной систему управления манипулятором. Электродинамический импульсный ускоритель плазмы (рисунок 3.14) создает поток импульсной плазмы и обеспечивает формирование покрытия.

Для создания многослойного защитного покрытия используются различные методы и способы их совершенствования. В таблице 3.8.приведены методы нанесения теплозащитных покрытий, режимы нанесения и качественные показатели слоя.

Процессы происходящие при создании термостойкого многослойного покрытия имеют весьма сложные зависимости на микро уровне поверхностного слоя. Ионно-плазменное напыление, ионная имплантация, лучевая обработка требуют глубокого изучения процессов на макро-, мезо- и микро уровне с учетом состояния кристаллических решеток материалов заготовок и нанесенных слоев. Исследования проводимые в направлении оптимизации технологических параметров новых высоких технологий имеют потенциальный запас надежности и качества изделий ГТД.

Таблица 3.8.

Фирма	Используемый Технологический процесс	Направление разработок	Рабочие температуры С/K	Толщина слоя в мкм. металл керамика
NASA	Плазменное Напыление	ЗП с повышенной термостойкостью	1200/1473	100 - - 200	280 - - 380
Lewis Research Center	Электронно- -лучевая технология	- - 	-	-	-
Union Carbide Corp.	Плазменное Напыление	ТЗП с повышенной термо- и коррозионной стойкостью	1100/1373	150 - - 200	250 - - 300
General Electric	Плазменное напыление	ТЗП с повышенной коррозионной стойкостью	1000/1273	100 - - 200	280
Westing Hause Electric Corp.	Плазменное Напыление	ТЗП для наземных ГТД	900/1123	120	380
Airco Temescal	Электронно- -лучевая технология	Технология нанесения ТЗП	1000/1273	100	100 - - 150
United Technologies Corp.	Электронно- -лучевая технология	ТЗП эрозионностойкие	1100/1373	100- - 200	100 - - 200
Howmet Turbine Corp.	Плазменное напыление в динамическом вакууме	Технология нанесения беспористого связующего слоя системы	1000/1273	100 - - 200	40
МТИ (Германия)	Плазменное Напыление	Технология нанесения беспористогот связующего слоя системы	1000/1273	100	400
Pratt Whitney Aircraft Corp.	Плазменное напыление	Технология нанесения беспористого савязующего слоя системы	1000/1273	100	250
(Англия)	Плазменное Напыление	ТЗП с повышенной термо- и коррозионой стойкостью	1000/1273	100	480
НЭС Им Патона Г. Киев	Электронно- -лучевая технология	ТЗП термо- и эрозионностойкое	1000/1273	100- - 200	100- -160
НЭС Им Патона г. Киев	Плазменное Напыление	ТЗП термо- и эрозионно-стойкое	1000/1273	200- -250	90- -350
НПО Машпроект Им. С.Д.Колосова (г. Николаев)	Электронно- -лучевая технология	ТЗП термо- и эрозионно-стойкое	1000/1273	100- -200	100- -150
НПО Порошковая металлургия г. Минск	Плазменное напыление в динамическом вакууме	ТЗП с беспористым связующим слоем и с термостойким слоем	1000/1273	100- - 200	150
АО Самарский НТ им Кузнецова Г. Самара	Электронно-лучевая технология	ТЗП термо- коррозионно- и эрозионно-стойкое покрытие	1000/1273	100- -150	100- - 130
АО Пермские моторы г. Пермь	Вакуумно-плазменное напыление	Жаро- коррозионностойкое покрытие	1000/1273	до 100	-
АО НПО ВИАМ г. Москва	Электронно-лучевая технология	ТЗП термостойкое	1000/1273	100- -150	100- -130
НПО Сатурн им. Люлька г Москва	Электронно-лучевая технология	ТЗП термостойкое	1100/1373	100- -130	100- - 130
Военно-воздушная академия им. Жуковского	Диффузионно-вакуумная плазменная технология	ТЗП термо- и коррозионно-стойкое	1100/1373	до 100	100 - 150
АО Уфимское моторостроительное ПО	Вакуумно-плазменные технологии	Жаростойкие покрытия	1000/1273	до 100	100- - 150