Экспериментальные исследования влияния характеристик металлического подслоя на долговечность теплозащитного покрытия лопаток турбины газотурбинного двигателя

Долговечность рабочих лопаток турбины ГТД с теплозащитными покрытиями (ТЗП) зависит от многих факторов, в том числе от состава, структуры и свойств металлического подслоя (МП). Положительный эффект применения ТЗП общеизвестен: увеличение ресурса защищаемой детали или повышение температуры рабочего газа перед турбиной двигателя. Вместе с тем очевиден и тот факт, что разработка и внедрение новых ТЗП, которые используют более эффективные МП, является актуальной задачей. На эффективность и долговечность ТЗП существенное влияние оказывают следующие характеристики металлического подслоя: материал, его толщина и микроструктура, метод нанесения. С целью выбора рационального металлического подслоя ТЗП и оценки его работоспособности на лопатках турбины при высоких температурах в работе выполнен сравнительный анализ изотермической жаростойкости ТЗП с различными вариантами металлических подслоев и при различных эксплуатационных температурах. В качестве критерия изотермической жаростойкости принято время , до которого суммарная площадь сколов керамического слоя на входной кромке и корыте не превышает 30 %. Испытания технологических лопаток ГТД, изготовленных из сплава ЖС32ВИ, с нанесенными на них по серийной технологии ТЗП с различными металлическими подслоями были проведены при температурах 1 100 и 1 170 °С. База испытаний на изотермическую жаростойкость составляла не менее 500 часов. Испытаниям подвергали по четыре технологические лопатки с каждым из исследуемых вариантов покрытий. Анализ полученных результатов испытаний продемонстрировал, что более высокие показатели долговечности имеют ТЗП с подслоем NiCrTaY и АЖ-8 + CrAl. Данный эффект обусловлен наличием в МП тугоплавких элементов (тантал и иттрий), которые создают диффузионный барьер и замедляют рост образующейся на металлическом слое оксидной пленки Al₂O₃. В процессе экспериментальных исследований установлено, что состав металлического подслоя в конструкции ТЗП существенно влияет на его долговечность. Так, абсолютные значения  могут отличаться в несколько раз. С увеличением температуры изотермических испытаний наблюдается значительное (в 2–3 раза) уменьшение долговечности покрытия. Поэтому правильный выбор состава МП позволяет снизить уровень напряженно-деформированного состояния на границе слоев, увеличить прочность сцепления, и тем самым увеличить долговечность ТЗП. 

1. Будиновский С.А., Чубаров Д.А., Матвеев П.В. Современные способы нанесения теплозащитных покрытий на лопатки газотурбинных двигателей (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2014. № S5. С. 38–44.

2. Абраимов Н.В., Елисеев Ю.С. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. М.: Интермет Инжиниринг, 2001. 620 с.

3. Абраимов Н.В., Абраимов А.Н., Терентьева В.С. Анализ повреждаемости покрытий лопаток турбин авиационных ГТД в процессе эксплуатации // Защитные покрытия: научно-методические материалы. М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1996. С. 2–8.

4. Самойленко В.М. Влияние природы металлического подслоя на долговечность теплозащитного покрытия / В.М. Самойленко, Е.А. Фатьянов, Р.Г. Равилов, В.А. Казарян // Коррозия: металлы, защита. 2010. № 2. С. 32–35.

5. Weng W.-X. Comparison of microstructural evolution and oxidation behaviour of NiCoCrAlY and CoNiCrAlY as bond coats used for thermal barrier coatings / W.-X. Weng, Y.-M. Wang, Y.-M. Liao, C.-C. Li, Q. Li // Surface & Coatings Technology. 2018. Vol. 352. Pp. 285–294. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.08.024

6. Медников А.Ф. Обзор современных способов формирования термобарьерных покрытий / А.Ф. Медников, К.С. Медведев, Г.В. Качалин, А.Б. Тхабисимов, Е.В. Качалина // Глобальная энергия. 2023. Т. 29, № 4. С. 132–148. DOI: 10.18721/JEST.29409

7. Самойленко В.М. Защитные покрытия для лопаток турбины III-IV поколения / В.М. Самойленко, А.Н. Аксенов, Р.Г. Равилов, В.Г. Опокин // Электрометаллургия. 2023. № 1. С. 21–28. DOI: 10.31044/1684-5781-2023-0-1-21-28

8. Балдаев Л.Х. Применение термобарьерных покрытий для лопаток современных газотурбинных установок на примере ГТД-110М / Л.Х. Балдаев, С.Л. Балдаев, И.В. Мазилин, А.М. Ахметгареева, А.С. Иванов // Надежность и безопасность энергетики. 2016. № 2 (33). С. 70–72.

9. Лощинин Ю.В. Влияние состава и технологии нанесения многослойных теплозащитных покрытий, изготовленных газотермическим напылением, на теплопроводность / Ю.В. Лощинин, М.Г. Размахов, С.И. Пахомкин, А.Н. Луценко // Труды ВИАМ. 2019. № 6 (78). С. 95–103. DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-6-95-103

10. Будиновский А.А., Мубояджан С.А., Гаямов А.М. Современное состояние и основные тенденции развития высокотемпературных теплозащитных покрытий для рабочих лопаток турбин авиационных ГТД // Авиационная промышленность. 2008. № 4. С. 33–37.

11. Самойленко В.М. Influence of impurities contained in fuel and air on sulfide corrosion of turbine blades of the gas turbine engine / В.М. Самойленко, Г.Т. Пащенко, Е.В. Самойленко, А.А. Гнездилова // Научный вестник МГТУ ГА. 2023. Т. 26, № 1. С. 72–80. DOI: 10.26467/2079- 0619-2023-26-1-72-80

12. Sankar V. Optimized thermal barrier coating for gas turbine blades / V. Sankar, P.B. Ramkumar, D. Sebastian, D. Joseph, J. Jose, A. Kurian // Materialstoday: Proceedings. 2019. Vol. 11, part 3. Рp. 912–919. DOI: 10.1016/j.matpr.2018.12.018

13. Толмачев Я.В. Высокотемпературная оксидная коррозия керамических материалов ГТД / Я.В. Толмачев, С.В. Заварзин, А.О. Лощинина, А.В. Князев // Труды ВИАМ. 2023. № 7 (125). С. 69–83. DOI: 10.18577/2307-6046-2023-0-7-69-83

14. Петров Ю.В. Применение защитного покрытия для восстановления работоспособности лопаток турбины газотурбинного двигателя с учетом их эксплуатационных повреждений / Ю.В. Петров, В.М. Самойленко, О.А. Ратенко, Е.В. Самойленко // Электрометаллургия. 2024. № 9. С. 12–23. DOI: 10.31044/1684-5781-2024-0-9-12-23

15. Абраимов Н.В., Овчинников В.В. Высокотемпературные материалы, покрытия и сварка в летательных аппаратах и двигателях. М.: Наука и технологии, 2023. 636 с.