17. Направление решения проблемы газовой коррозии. Требования к покрытиям. Диффузионные покрытия, порошковый и шликерный метод.

Защитные покрытия рабочих лопаток турбин.

Высокотемпературное окисление жаропрочных никелевых сплавов в сочетании с солевой коррозией существенно ограничивает ресурс рабочих лопаток турбин.

Решение проблем газовой коррозии авиационных ГТД осуществляется по следующим направлениям:

1. Удаление вредных примесей содержащихся в топливе и воздухе- экономически не выгодно. В топливе- удорожание топлива; в воздухе- сложно

2. Создание новых жаропрочных сплавов. Это наукоемкий процесс на перспективу. Сейчас перепробовали разные составы легирующих элементов, и сплавы мало отличаются друг от друга

3. конструктивное совершенствование системы охлаждения турбин

4. создание эффективных защитных покрытий предохраняющих от высокотемпературного окисления (ВТО).

Применяются покрытия на основе:1.на основе алюминия, кремния;2.комплексные покрытия алюминия, кремния, кобальта 3. многослойные покрытия

для жаропрочных сплавов это покрытия алюминидного класса, т. е. покрытия, образующие на поверхности в процессе эксплуатации защитную оксидную пленку из оксида Al₂O₃

Требования к покрытиям:

1. высокая жаростойкость в условиях воздействия газовой среды. Это обеспечивается: способностью материала покрытия образованию тонкой защитной оксидной пленки; хорошей адгезией к металлу и минимальной диффузионной проницаемостью

2. должно обладать низкой скоростью диффузионного воздействия с защищенным материалом, быть инертным, стабильным по толщине.

3. должно обладать высокой прочностью, вязкостью и пластичностью, исключающей возможность преждевременного разрушения под действием термомеханических циклических нагрузок

4. коэффициент линейного расширения должен быть близким с основой.

В 60-е годы был разработан метод алитирования, что увеличило ресурс лопаток в 2-3 раза в то время.

В ГТД следующих поколений темп. газа перед турбиной увеличилась, повышалась теплонапряженность рабочих лопаток, из-за низкой пластичности алитированных диффузионных покрытий; стали образовываться термоусталостные трещины.

В конце 70-х годов были созданы новые тех процессы на основе ионно-плазменного нанесения покрытий, что позволило разработать серию принципиально новых покрытий и многослойных покрытий.

Жаростойкие защитные покрытия (ЖЗП) условно делят на диффузионные и конденсационные.

Диффузионные защитные покрытия- это покрытия, в процессе осаждения которых и последующего диффузионного отжига формируется защитный слой в результате взаимной диффузии химических элементов материала подложки- жаропрочного никелевого сплава и осажденного материала. Переход между диффузионным слоем и металлом основы непрерывен и характеризуется постепенным снижением концентрации продиффундировавших элементов.

Покрытие представляет собой диффузионную зону, в состав которой входят химические элементы подложки, следовательно, состав и свойства диффузионного покрытия определяются не только осажденным на поверхности материалом, но и составом жаропрочного никелевого сплава. Диф покрытие меняет геометрию детали незначительно.

Конденсационные ЗП- это покрытия ( нанесенные методом напыления) имеющие переходную диффузионную зону с материалом основы и собственно покрытия. Диффузионная зона ограничивается узкой областью. На границе раздела покрытие- основа хим состав изменяется скачкообразно. Состав покрытия определяет состав осажденного материала и технология осаждения хим состав напыленных покрытий не зависит от материала основы. Технология дает возможность регулировать физико-химические и физико-механические свойства покрытия. Напыленные покрытия всегда связаны с изменением размеров детали.

Диффузионные защитные покрытия (алитирование).

В мировой практике существуют следующие методы нанесения диф покрытий:

• диффузионное насыщение поверхности ( в порошковых засыпках, газо-циркулярным способом вакуумным осаждением)

• шликерный метод

• золь-гель метод

• электрохимические и химические методы

Порошковый метод.

Вакуумное порошковое алитирование получают в засыпке из порошковой смеси хрома, алюминия, никель-итриевой лигатуры, чернозема с хлоридами при нагреве 1050⁰С в течении 6 часов. Хлориды действуют как химический транспорт для переноса алюминия в результате протекания обратимых реакций (глубина слоя 50-60мкм):

По данным рентгеноструктурного фазового анализа наружный слой представлен смесью фаз NiAl (основа) и частично Ni₃Al.

NiAl- это основная фаза, обеспечивающая сопротивление высокотемпературному окислению и сульфидной коррозии, за счет образования на поверхности лопатки при работе оксидной пленки Al₂O₃.

Внутренний слой обычно называемый диффузионной зоной имеет сложный фазовый состав Ni₃Al (j-фаза) и дисперсные карбиды со структурой Me₆C и Me₂₃C₆. глубина слоя диффузионного покрытия 56-60 мкм.

Изменение свойств алитированых покрытий определяется кинетикой 2-х процессов:

• окисление и диффузией алюминия к наружной поверхности

• диффузией алюминия вглубь жаропрочного сплава и встречной диффузией в покрытие никеля и кобальта.

В покрытие диффундируют компоненты жаропрочного сплава, такие как титан и ниобий, которые замещают атомы алюминия в его подрешетке в составе интеметалидов. Окисление титана и ниобия приводит к разрушению сформировавшегося оксидного слоя и ускоряет процесс окисления покрытия.

В практике отечественного двигателестроения порошковые и газо-циркулярные диф покрытия применяют для защиты внутренних поверхностей охлаждающих каналов раб лоп турбины высокого давления.

Минусы диф покрытия:

1. покрытия имеют низкую пластичность , подвержены термоусталостному разрушению ( по этому работаю при низких температурах)

2. Сложность и трудоемкость изготовления порошковой смеси

3. Вредность при работе с мелкодисперсными смесями

4. Сложность защиы поверхностей, не требующих нанесения покрытий (елка).

Шликерный метод (окраска).

Сущность метода- окраска краскораспылителем поверхности лопатки предварительно приготовленным шликером, сушки и диффузионный отжиг.

Шликер представляет собой жидкую суспензию, состоящую из растворителя, связующего и наполнителя в виде дисперсных порошков металлов, неметаллов или их оксидов, предназначенных для формирования защитного диф покрытия.

Для приготовления шликера используют:

• Растворитель: аниловый эфир уксусной кислоты амилцитат)

• Диэтиловый эфир щавелевой кислоты (диэтилоксалат) в соотношении 3:1

• Связующее: техническая нитроцеллюлоза (коллоксилен) для обеспечения необходимой вязкости.

• Порошковый наполнитель: в количестве 1гр на 1,5мл жидкой фазы.

После нанесения шликера на поверхность лопаток следует сушка при t=50-100˚С затем отжиг.

Отжиг производят в вакууме или в среде газов при t=1050˚С 6 часов. Толщина покрытия 50-60 мкм.

Схема формирования шликерного покрытия:

Порошковый наполнитель алюминия, при температуре отжига переходит в жидкую фазу в виде капель. Происходит взаимная диффузия никеля в алюминий и алюминия в основу и образуются дисперсные интерметалиды NiAl и Ni₂Al₃.

Введение в шликер кремния позволяет повысить жаростойкость покрытия в результате связывания кремнием молибдена, диффундирующего из основы.

Шликерные покрытия более пластичны и имеют более высокое сопротивление термической усталостью метод высокотехнологичен.