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

Введение

Долговечность рабочих лопаток турбины газотурбинного двигателя (ГТД) с теплозащитными покрытиями (ТЗП), работающих при высоких температурах, зависит от многих факторов, в том числе от состава, структуры и свойств металлического подслоя (МП). При этом определяющими характеристиками МП являются его состав и метод нанесения [1–6]. 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, более эффективных МП и совершенствование методов их нанесения являются актуальной задачей. Типовая структура ТЗП приведена на рис. 1. 

В общем случае требуемая для длительной эксплуатации температура основного материала лопатки достигается путем совершенствования конструкции самой лопатки, уменьшения интенсивности теплового потока, а также путем выбора состава и толщины ТЗП.

Будем считать, что интенсивность теплового потока и конструкция лопатки заданы, в этом случае повышение эффективности теплозащитного покрытия достигается за счет выбора его рациональной толщины и значения удельной теплопроводности керамического слоя. Важно учитывать, что при длительном циклическом (по температуре и внутренним усилиям) нагружении имеет место деградация ТЗП, которая проявляется в окислительных процессах на границе между керамическим слоем и МП, изменении микроструктуры самого керамического слоя (рекристаллизация, спекание), эффектах горячей коррозии и эрозии керамического слоя. В частности, спекание керамического слоя после циклического температурного воздействия (рис. 2) приводит к появлению дефектов типа пор, трещин, вертикальных каналов столбчатой структуры, что является причиной роста теплопроводности керамического слоя [1][7–9]. 

Процесс разрушения ТЗП начинается с момента скалывания части керамического слоя с поверхности охлаждаемой лопатки, после чего прекращается выполнение его основной функции – защиты металла лопатки от воздействия высоких температур. Вместе с тем трещины в керамическом слое ТЗП, образование в нем фрагментов различного размера являются реакцией на внутренние эксплуатационные усилия и деформации поверхности лопаток, что еще не свидетельствует о потере ТЗП своих защитных функций.

Известно [10–14], что одним из чувствительных мест ТЗП, непосредственно влияющих на его долговечность, является граница между керамическим слоем и жаростойким подслоем. В процессе эксплуатации лопаток с ТЗП кислород через керамический слой проникает к МП, что приводит к его окислению и увеличению слоя оксида алюминия Al₂O₃ (рис. 3). 

Известны два основных пути доставки кислорода к границе: газовый перенос через открытую пористость керамического слоя и диффузионное перемещение кислородных ионов по анионным вакансиям в решетке диоксида циркония. На поверхности подслоя образуются оксиды, состав и структура которых зависит от количества поступившего кислорода и состава подслоя. Это создает дополнительные внутренние усилия на границе МП, уменьшает адгезию керамического слоя и приводит к его скалыванию. Указанные процессы являются одной из основных причин разрушения ТЗП [2][14].

Эффективность и долговечность ТЗП во многом зависит от характеристик металлического подслоя (материал, его толщина и микроструктура, метод нанесения). С целью выбора рационального металлического подслоя ТЗП и для 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.

Методы исследования

Испытания технологических лопаток ГТД, изготовленных из сплава ЖС32ВИ, с нанесенными на них по серийной технологии [8–10][15] ТЗП с различными металлическими подслоями были проведены при температурах 1 100 и 1 170 ℃. База испытаний на изотермическую жаростойкость составляла не менее 500 часов. Испытаниям подвергали по четыре технологические лопатки с каждым из исследуемых вариантов покрытий. Испытания проводили в печи типа ЕТ-2. В процессе испытаний через 5, 20, 50 и далее через каждые 100 часов проводили отбор образцов для исследований.

При изотермической выдержке разрушение ТЗП практически не зависит от напряжений теплового удара (имеет место только при загрузке и выгрузке образцов для осмотра и взвешивания). Следовательно, можно утверждать, что при данном исследовании определяющую роль в разрушении керамического слоя играет процесс окисления МП, изменения его состава и структуры вследствие диффузионных процессов.

В качестве критерия изотермической жаростойкости принято время , до которого суммарная площадь сколов керамического слоя на входной кромке и корыте не превышает 30 %. Обращалось особое внимание на состояние жаростойкого МП в месте сколовшейся керамики.

Результаты исследования

Различные варианты металлического подслоя наносились по серийной технологии, а затем на все лопатки методом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме нанесен керамический слой ZrO₂×7%Y₂O₃. Исследованные варианты покрытий и их толщина представлены в табл. 1. Результаты испытаний приведены на рис. 4 и 5. 

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. Следовательно, более длительное время сохраняется исходное состояние покрытия.

Видно, что интегральный показатель долговечности многослойного покрытия существенно зависит от выбора МП. Так, абсолютные значения , как видно из рис. 4 и 5, могут отличаться в несколько раз. С увеличением температуры изотермических испытаний наблюдается существенное (в 2–3 раза) снижение долговечности покрытия. Это можно объяснить увеличением интенсивности диффузионных процессов, происходящих между ТЗП и основным сплавом, также быстрее развиваются окислительные процессы. 

При более высокой температуре (1 170 ℃) происходят процессы распада кубической и тетрагональной фаз керамического слоя ТЗП и возможно появление моноклинной фазы, что в конечном итоге приводит к увеличению сжимающих усилий в керамическом слое с последующим его отрывом от МП. 

Заключение

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. На основании проведенного исследования для увеличения долговечности всей конструкции ТЗП целесообразно использовать металлический подслой АЖ-8 + CrAl, который имеет химический состав, близкий к химическому составу применяемых никелевых сплавов для изготовления лопаток современных ГТД. Это позволяет уменьшить диффузионные процессы между подслоем и сплавом, а наличие в металлическом подслое тугоплавких элементов (тантала и иттрия) позволяет несколько замедлить рост оксидной пленки, что также положительно влияет на долговечность всего ТЗП.