Введение

В настоящее время для увеличения ресурса основных деталей газотурбинных двигателей (ГТД) активно применяются различные защитные покрытия. Один из наиболее эффективных методов ‒ нанесение газоциркуляционных покрытий на лопатки турбин, которые обеспечивают превосходную защиту от высокотемпературного окисления. Наиболее перспективное направление ‒ разработка и применение лопаток с интегрированной сложной системой внутренних каналов для обеспечения эффективного охлаждения при эксплуатации.

Жаростойкие покрытия выполняют важную функцию, защищая компоненты ГТД от высокотемпературной коррозии. Основная задача таких покрытий ‒ создание барьера, предотвращающего взаимодействие материала изделия (обычно никелевых сплавов) с агрессивной средой. Алюминидные покрытия, формирующие на поверхности плотный слой оксида алюминия (Al₂O₃), обеспечивают базовую защиту при температурах до 1000–1100 °C. Платиноалюминидные покрытия (благодаря добавлению платины) повышают устойчивость к термическим циклам и коррозии в серосодержащих средах, что особенно важно для авиационных двигателей, работающих в условиях загрязненной атмосферы.

Современные конструкции лопаток турбин включают сложные внутренние каналы охлаждения, которые снижают термическую нагрузку на материал за счет циркуляции холодного воздуха. Эти каналы имеют сложную геометрическую форму, что затрудняет нанесение покрытий традиционными методами, такими как плазменное напыление [1–7]. Нанесение покрытий газоциркуляционным методом решает эту проблему, обеспечивая равномерное осаждение покрытий даже в труднодоступных внутренних полостях, что делает его предпочтительным для защиты внутренних полостей деталей ГТД. Известно, что качество нанесенного покрытия критически влияет на его свойства, такие как прочность, сопротивление усталости и жаростойкость. Поэтому для обеспечения необходимых защитных свойств ключевой задачей является формирование равномерной структуры покрытия на всех поверхностях лопатки в процессе его нанесения [8–17]. Использование этого метода при нанесении покрытий позволит создавать лопатки с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Помимо защиты от окисления, жаростойкие покрытия также способствуют повышению термической эффективности двигателей, позволяя работать при более высоких температурах без риска деградации материала. Это особенно важно в контексте современных тенденций к увеличению мощности и снижению выбросов CO₂, что требует от ГТД более высоких рабочих температур и улучшенных характеристик.

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексной научной проблемы 17.3. «Многослойные жаростойкие и теплозащитные покрытия, наноструктурные упрочняющие эрозионно- и коррозионностойкие, износостойкие, антифреттинговые покрытия для защиты деталей горячего тракта и компрессора ГТД и ГТУ» ведутся работы по созданию новых составов и технологий нанесения покрытий газоциркуляционным методом [18].

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Материалы и методы

Нанесение газоциркуляционных покрытий осуществляли на установке типа УМП-500, которая представляет собой печь с герметично закрытым муфелем, в объеме  которого находятся два испарителя хлоридов, вентилятор и дефлектор. Исследование проводили на цилиндрических образцах размером Ø25×3 мм из жаропрочных сплавов на основе никеля.

Перед загрузкой в установку образцы подвергали пескоструйной обработке. В процессе алитирования в качестве галогенсодержащего компонента использовали хлорид алюминия. При высоких температурах эти газообразные соединения активно циркулируют внутри установки, обеспечивая равномерный контакт со всеми поверхностями обрабатываемых изделий. Циркуляция газового потока осуществляется принудительно с помощью вентилятора. При контакте с поверхностью изделия галогениды алюминия диссоциируют и атомы алюминия осаждаются на поверхность детали. Далее галоген (в данном случае хлор) освобождается и возвращается в объем муфеля, в котором установлен источник алюминия, и процесс переноса повторяется.

В качестве изменяемых технологических параметров выбраны температура и продолжительность процесса, а также температура вакуумного отжига после нанесения алюминидного слоя. Параметры максимального давления в муфеле, масса загруженного хлорида, температура испарителей, скорость вентилятора и продолжительность вакуумного отжига оставались неизменными.

Всего рассмотрено восемь различных вариантов технологических параметров на двух жаропрочных сплавах ВЖМ5 и ЖС6У. В качестве базового технологического режима (образцы Б1 и Б2 в таблице) осаждения покрытия использован режим, позволяющий поднять температуру процесса на 100 °С без превышения максимальной рабочей температуры установки УМП-500.

Варианты технологических параметров процесса

Результаты

В качестве базового критерия оценки алюминидного слоя выбран средний удельный привес по образцам. Дополнительно проведены исследования для определения толщины алитированного слоя (рис. 1‒9) и количества алюминия во внешнем слое, поскольку алюминидные покрытия состоят преимущественно из фазы β-NiAl, которая при окислении образует плотный слой Al₂O₃, предотвращающий дальнейшее окисление материала подложки.

После проведения базового процесса на образцах из сплавов ВЖМ5 и ЖС6У наблюдается (рис. 1) сплошной слой с повышенным содержанием алюминия (>30 % (по массе)). Толщина алюминидного покрытия с диффузионной зоной составляет ~(10–12) мкм.

Рис. 1. Микроструктуры (×3200) образцов Б1 и Б2 из сплавов ВЖМ5 (а) и ЖС6У (б) соответственно

На образцах из сплава ВЖМ5 при уменьшении температуры процесса на 100 °С и увеличении продолжительности процесса на 2 ч можно наблюдать (рис. 2, а) «рваный» внешний слой с содержанием алюминия ~22 % (по массе).

При увеличении температуры отжига на 100 °С верхний слой становится сплошным (рис. 2, б) и количество алюминия уменьшается до ~20 % (по массе). В обоих случаях (рис. 2) под покрытием образуется диффузионная зона с плавным уменьшением количества алюминия до ~7 % (по массе).

Рис. 2. Микроструктуры (×3200) образцов 1 (а)и 2 (б) из сплава ВЖМ5

На образцах из сплава ЖС6У при проведении процесса алитирования при пониженной температуре формируется несплошной внешний слой толщиной ~(2–5) мкм (рис. 3, а). При увеличении температуры вакуумного отжига можно наблюдать более активную диффузию внешнего слоя в основу (рис. 3, б).

Рис. 3. Микроструктуры (×3200) образцов 3 (а) и 4 (б) из сплава ЖС6У

При уменьшении времени газоциркуляционного алитирования на образце из сплава ВЖМ5 с пониженной температурой вакуумного отжига наблюдаются (рис. 4, а) остатки внешнего слоя с содержанием алюминия до ~20 % (по массе). При увеличении температуры отжига практически весь внешний слой диффундировал в материал основы (рис. 4, б).

Рис. 4. Микроструктуры (×3200) образцов 5 (а) и 6 (б) из сплава ВЖМ5

Меньшая продолжительность газоциркуляционного алитирования на образцах из сплава ЖС6У, прошедших вакуумный отжиг с пониженной температурой, приводит к неполному образованию внешнего слоя (рис. 5, а), где содержание алюминия достигает 12 % (по массе). На образце из сплава ЖС6У при повышении температуры отжига полностью отсутствуют следы внешнего слоя (рис. 5, б). Предположительно при проведении процесса пробоподготовки произошло растрескивание диффузионной зоны.

Рис. 5. Микроструктуры (×3200) образцов 7 (а) и 8 (б) из сплава ЖС6У

При проведении процесса алитирования при максимальной температуре с увеличенной продолжительностью наблюдается (рис. 6, а) сплошной внешний слой толщиной ~10 мкм с повышенным содержанием алюминия ‒ от 28 до 35,5 % (по массе). При увеличении температуры отжига формируется внешний слой с содержанием алюминия 20–22 % (по массе) с большей толщиной (до ~15 мкм) и увеличивается диффузионная зона вглубь образца (рис. 6, б).

Рис. 6. Микроструктуры (×3200) образцов 9 (а) и 10 (б) из сплава ВЖМ5

Осуществление процесса алитирования в условиях максимальной температуры в сочетании с увеличенной продолжительностью выдержки приводит к формированию непрерывного внешнего слоя толщиной ~10 мкм (рис. 7, а), характеризующегося повышенной концентрацией алюминия в диапазоне от 28 до 35,5 % (по массе). Увеличение температуры отжига приводит к утолщению внешнего слоя до ~15 мкм (рис. 7, б) с концентрацией алюминия 18–20 % (по массе), одновременно способствуя углублению диффузионной зоны в основу.

Рис. 7. Микроструктуры (×3200) образцов 11 (а) и 12 (б) из сплава ЖС6У

При проведении процесса алитирования при максимальной температуре со сниженным временем процесса наблюдается (рис. 8, а) сплошной внешний слой толщиной до 7 мкм с повышенным содержанием алюминия ‒ от 29 до 33,9 % (по массе). При увеличении температуры отжига формируется внешний слой с содержанием алюминия ~20 % (по массе) и увеличивается вглубь образца диффузионная зона (рис. 8, б).

Рис. 8. Микроструктуры (×3200) образцов 13 (а) и 14 (б) из сплава ВЖМ5

При проведении процесса алитирования при максимальной температуре со сниженным временем процесса наблюдается (рис. 9, а) сплошной внешний слой толщиной до 7 мкм с повышенным содержанием алюминия ‒ от 29 до 33,8 % (по массе). При увеличении температуры отжига формируется внешний слой с содержанием алюминия ~19 % (по массе), одновременно способствуя углублению диффузионной зоны в основу (рис. 9, б).

Рис. 9. Микроструктуры (×3200) образцов 15 (а) и 16 (б) из сплава ЖС6У

Заключения

Процесс алитирования ‒ важная технология для улучшения поверхностных свойств сплава, особенно в условиях высоких температур и агрессивных сред. Из анализа экспериментальных данных следует, что снижение температуры процесса алитирования на 100 °С от оптимального значения приводит к существенно худшим результатам. Основная проблема, возникающая при пониженной температуре, заключается в недостаточной скорости переноса алюминия на поверхность образцов. Диффузия атомов алюминия вглубь подложки ‒ процесс, существенно зависящий от термической активации. При таких условиях на поверхности образцов можно наблюдать «рваную» структуру покрытия. Это указывает на неполное и неоднородное формирование защитного слоя. Вместо сплошного равномерного покрытия наблюдаются области, где формирование покрытия либо отсутствует, либо является крайне фрагментированным. Такая морфология делает покрытие неэффективным, поскольку оно не может обеспечить защиту от внешних воздействий.

При проведении процесса алитирования с повышенной температурой (в зависимости от продолжительности проведения процесса) наблюдается сплошной алюминидный слой толщиной от 7 до 15 мкм с содержанием алюминия во внешнем слое до 35 % (по массе). Следовательно, для увеличения толщины покрытия можно повышать температуру и продолжительность проведения процесса. Выбор температуры отжига влияет на диффузию алюминия из внешнего слоя покрытия в подложку. При повышении температуры можно наблюдать увеличение толщины внешнего слоя алюминидного покрытия с содержанием ~22 % (по массе) алюминия и увеличенной диффузионной зоной.

При температурах Т_баз и более формируется равномерный слой алюминидного покрытия на всей поверхности образца, что дает возможность нанесения покрытия на детали с развитой внешней и внутренней поверхностями,  в том числе изготовленных с помощью аддитивного производства. Это позволит повысить эффективность и надежность современных ГТД.

Газоциркуляционные процессы нанесения покрытий не имеют аналогов по возможности формирования защитных слоев на внутренних полостях и поверхностях деталей сложной геометрической формы, что делает их незаменимыми для целого ряда высокотехнологичных применений. Однако, несмотря на это преимущество, задача локальной защиты отдельных участков поверхности остается открытой. Решение проблемы прецизионного маскирования и направленного осаждения в газовой фазе требует дальнейших фундаментальных и прикладных исследований, которые позволят значительно расширить функциональные возможности и области применения данной технологии в современной промышленности.