Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Литературный обзор 14
1.1 Анализ условий работы и повреждаемости лопаток турбины авиационных двигателей и промышленных газовых турбин 14
1.1.1 Термоусталостное разрушение деталей ГТД и ГТУ 15
1.1.2 Повреждение деталей ГТД и ГТУ в условиях высокотемпературного окисления и коррозии 17
1.2 Анализ возможностей проведения эквивалентных ускоренных испытаний с целью создания искусственной наработки поверхности 35
1.3 Состояние вопроса по восстановлению и повышению эксплуатационных свойств лопаток газовых турбин 40,
1.3.1 Способы удаления дефектных покрытий с ремонтных лопаток турбины ГТД и ГТУ 42
1.3.2 Анализ способов повышения служебных характеристик поверхности лопаток газовых турбин 49
Выводы по литературному обзору. Пути решения поставленных задач 68
Глава 2 Изучаемые материалы и методы исследования 73
2.1 Химический состав и свойства сплава ЦНК-7П 73
2.2 Технология нанесения защитных покрытий Al-Si и ВСДП-11 на поверхность сплава ЦНК-7П 75
2.3 Оборудование для ионно-имплантационного модифицирования поверхности сплава ЦНК-7П 77
2.4 Методики определения жаростойкости и проведения ускоренных высокотемпературных коррозионных испытаний 78
2.5 Методики определения микротвердости, длительной прочности, сопротивления усталости и термоусталости 80
2.6 Методы анализа физико-химического и структурно-фазового состава поверхностного слоя исследуемых материалов 87
2.7 Методика исследования процессов удаления покрытия с поверхности образцов химическим методом. Обработка результатов 90
Глава 3 Изучение закономерностей процесса высокотемпературной коррозии сплава ЦНК7П с алюмосилицидным покрытием Al-Si 91
3.1 Исследование влияния природы и концентрации компонентов синтетической золы и температуры испытаний на процесс ВТК. Выбор режима ускоренных высокотемпературных коррозионных испытаний 91
3.2 Изучение особенностей высокотемпературного окисления и газовой коррозии поверхности сплава ЦНК7П 102
3.3 Изучение особенностей высокотемпературного окисления и газовой коррозии сплава ЦНК7П с алюмосилицидным покрытием 109
Выводы к Главе 3 119
Глава 4 Изучение механизма удаления дефектного алюмосилицидного покрытия со сплава ЦНК-7П химическим методом 121
4.1 Закономерности удаления Al-Si покрытия, имеющего дефект «несоответствие толщины», с поверхности сплава ЦНК7П 121
4.2 Закономерности удаления Al-Si покрытия, имеющего высокотемпературное коррозионное повреждение 134
Выводы к Главе 4 144
Глава 5 Исследование влияния вакуумно-плазменного и ионно-плазменного модифицирования поверхности сплава ЦНК-7П на его эксплуатационные характеристики 146
5.1 Исследование влияния диффузионного вакуумного ионно-плазменного покрытия ВСДП-11 на эксплуатационные свойства сплава ЦНК-7П 146
5.2 Изучение влияния ионной имплантации иттербия на долговеч ность и выносливость сплава ЦНК-7П 165
Выводы к Главе 5 178
Глава 6 Изучение влияние комбинированной обработки поверхности ионно-плазменными методами на свойства сплава ЦНК-7П. Разработка ремонтной технологии лопаток турбины изделия АЛ-31СТ 180
6.1 Исследование влияния ионного модифицирования поверхности сплава иттербием на состав и структуру диффузионного вакуумного ионно-плазменного покрытия ВСДП-11 180
6.2 Исследование влияния комбинированной обработки (ионное модифицирование + вакуумно-плазменное покрытие ВСДП-11) на эксплуатационные характеристики сплава ЦНК-7П 192
6.3 Разработка ремонтно-восстановительной технологии лопаток турбины из сплава ЦНК-7П газотурбинного привода АЛ-31СТ 212
Выводы к Главе 6 219
Основные выводы и результаты работы 221
Заключение 223
Список литературы 227
Приложение 244
- Анализ возможностей проведения эквивалентных ускоренных испытаний с целью создания искусственной наработки поверхности
- Технология нанесения защитных покрытий Al-Si и ВСДП-11 на поверхность сплава ЦНК-7П
- Изучение особенностей высокотемпературного окисления и газовой коррозии поверхности сплава ЦНК7П
- Закономерности удаления Al-Si покрытия, имеющего высокотемпературное коррозионное повреждение
Введение к работе
Интенсивное развитие отечественного и зарубежного энергетического комплекса связано в настоящее время со значительными достижениями в авиационном двигателестроении. Энергоустановки наземного применения различной мощности, в состав которых входит газогенератор, нашли широкое применение как в установках для выработки тепла и электроэнергии, так и в агрегатах для транспортировки газа по территории России и за ее пределы. Такое целевое назначение энергоустановок и агрегатов обусловливает жесткие требования к их надежности в работе в течение длительного времени. Ресурс современных ГТУиГПА достигает 30...35 тысяч часов при межремонтном ресурсе 10...15 тысяч часов. В данных условиях изделие должно обладать высокими коэффициентами готовности пуска и технического использования.
Одним из основных узлов газотурбинных установок и агрегатов является турбина, и к наиболее ответственным деталям, к которым предъявляются самые высокие требования в производстве и при эксплуатации, относятся рабочие лопатки. В процессе наработки в условиях повышенных температур, нагрузок и агрессивных сред в лопатках возникают различные дефекты, ограничивающие их ресурс.
В настоящее время доказано, что в условиях значительного парка эксплуатируемых ГТП и ГПА наиболее экономичным вариантом поддержания энергоустановок в рабочем состоянии является проведение регламентных ремонтных мероприятий. Основная цель таких работ сводится к тому, чтобы при сравнительно невысоких затратах обеспечить гарантированный ресурс как отдельных деталей, например, лопаток турбины, так и изделия в целом. В виду того, что ремонтные работы, как правило, осуществляются на тех же предприятиях, на которых производится выпуск того или иного типа энергоустановок, то данным организациям в целях обеспечения конкурентоспособности своих изделий приходится затрачивать средства на разработку и реализацию ремонтно-восстановительных технологий. В большинстве случаев этап создания и внедрения новых ремонтных технологий наступает лишь при выработке изделием своего межремонтного ресурса, что вызывает неоправданные простои энергооборудования. В связи с этим на многих предприятиях авиационной отрасли используется принцип опережающей отработки новых конструкторских и технологических решений, касающихся проблем ремонта и восстановления деталей и узлов изделия. Такой подход требует получения информации о степени повреждаемости деталей в процессе эксплуатации, а при решении задач, связанных с повышением качества и работоспособности деталей, использования новых научных достижений.
В данной работе в качестве объекта исследования выбрана рабочая лопатка турбины низкого давления привода АЛ-31СТ, входящего в состав газоперекачивающего агрегата ГПА-16Р «Уфа», выпускаемых ОАО УМПО. Ресурс изделия составляет 30 тысяч часов при межремонтном ресурсе 10 тысяч часов. В настоящее время привод в составе лидерного ГПА имеет наработку 9 тысяч часов, т.е. информация об изменении состояния лопаток за межремонтный период времени отсутствует.
В тоже время опыт ряда предприятий, например ОАО «Волготрансгаза», ОАО НПК «Трибоника» и др., показывает, что лопатки данного типа при их эксплуатации в составе ГПА ГТК-25И не выдерживают гарантированного ресурса. При наработке в материале лопаток развиваются процессы старения, которые проявляются в виде деформационного упрочнения поверхностного слоя (на глубину 100 мкм) и деградации микро- и субструктуры (распад фазы у -№зА1, размельчение субзерен никеля и возрастание плотности дефектов на их границах). В результате дальнейшая эксплуатация турбинных лопаток будет продолжаться за счет уменьшения запаса пластичности, перехода поверхностного слоя в режим ускоренной стадии ползучести и увеличения вероятности хрупкого разрушения.
В отличие от лопаток, используемых в агрегате ГТК-25И, лопатки турбины привода АЛ-31СТ имеют защитное алюмосилицидное покрытие, предохраняющее материал деталей от высокотемпературного окисления и коррозии. Однако опыт эксплуатации лопаток турбины с данным покрытием в составе двигателя АЛ-31Ф, являющегося базовой частью привода АЛ-31СТ, показывает сравнительно невысокую долговечность покрытия. При наработке возникают термоусталостные трещины и коррозионные повреждения, распространяющиеся как на всю глубину покрытия, так и заходящие в основной материал на глубину до 10... 15 мкм.
В связи с вышеизложенным, уже на стадии эксплуатации изделия возникает проблема обеспечения и повышения ресурса лопаток турбины, что определяет необходимость разработки мероприятий по восстановительному ремонту. При разработке программы исследования для создания ремонтно-восстановительной технологии исходили из опыта предприятий авиационной отрасли и анализа большого объема данных патентной и научной литературы. Известно, что на первой стадии с целью выявления ремонтопригодных деталей проводится их дефектация. Отсутствие данных по повреждаемости А1-Si покрытия при эксплуатации лопаток из сплава ЦНК-7П вызывает необходимость проведения ускоренных испытаний и на базе полученной информации выбора стратегии построения ремонтной технологии.
Лопатки, на которых в процессе дефектации обнаруживаются повреждения защитного покрытия без нарушения структуры материала подложки, подвергаются операции удаления дефектного покрытия с последующим перепокрытием деталей. Для обеспечения экологических требований производства требуется подобрать травильные растворы, не содержащие токсичной и не поддающейся утилизации плавиковой кислоты, входящей в состав электролитов, используемых в серийном производстве для удаления алюминидных покрытий.
Мероприятия по дефектации и удалению дефектных покрытий являются стандартными видами регламентных работ при ремонте деталей. Дальнейшее повышение ресурса лопаток турбины после удаления покрытия требует введения в ремонтную технологию операций обработки поверхности сплава более эффективными методами. Защитное Al-Si покрытие, наносимое на поверхность сплава ПНК-7П, обладает рядом существенных недостатков, присущих шли-керной технологии. Анализ последних работ ВИАМа, института им. О.Е. Пато-на и ряда других отраслевых НИИ показывает, что наиболее перспективными защитными покрытиями для никелевых жаропрочных сплавов являются ваку-умно-плазменные покрытия. Учитывая, что вакуумно-плазменное покрытие ВСДП-11, наносимое на лопатки из сплавов типа ЖС, обладает повышенным сроком службы, то для увеличения ресурса деталей необходимо исследовать целесообразность замены Al-Si покрытия на покрытие ВСДП-11.
Работы, посвященные проблеме создания поверхности деталей со специальными свойствами, показывают, что одним из приоритетных направлений в данной области является имплантирование сплавов на никелевой основе рядом редкоземельных элементов, в частности иттербием, который повышает жаростойкость чистого никеля. Поэтому для более полного использования эксплуатационных свойств жаропрочного сплава ЦНК-7П требуется изучение влияния на его свойства ионной имплантации иттербием.
Предполагается далее, что в результате сочетания ионно-импланта-ционного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности1 может быть сформирована более эффективная композиция «поверхность сплава - покрытие», которая позволит в значительной мере повысить ресурс деталей.
Анализ проблемы позволили сформулировать цель и задачи работы. Цель исследования. Исследование возможности повышения эксплуатационных свойств лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П на стадии их восстановительного ремонта путем удаления дефектного Al-Si покрытия и комбинированного ионно-имплантационного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности.
Задачи исследования:
1. Разработка методики ускоренных испытаний турбинных лопаток для имитации коррозионной повреждаемости их поверхности.
2. Изучение закономерностей удаления Al-Si покрытия химическим методом. Выявление эффективных составов электролитов для удаления покрытия с поверхности лопаток, имеющих наработку и без наработки.
3. Исследование возможности повышения ресурса турбинных лопаток путем замены Al-Si покрытия на вакуумно-плазменное покрытие ВСДП-11.
4. Изучение влияния ионно-имплантационного модифицирования поверхности сплава ЦНК-7П на его эксплуатационные свойства и определение эффективного режима обработки.
5. Исследование влияния комбинированного ионно-имплантационного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности на эксплуатационные свойства лопаток турбины.
6. Разработка технологии ремонта рабочих лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П с целью обеспечения их ресурса.
Научная новизна
1. На основе анализа функционального действия компонентов различных синтетических зол и золовых отложений на лопатках из никелевых сплавов отечественного и зарубежного производства подобран состав синтетической золы и режим испытания, обеспечивающие совместное проявление сульфидно-оксидной и ванадиевой коррозии, позволяющей за минимальное время получить коррозионные повреждения покрытия аналогичные эксплуатационным.
2. Для решения проблемы удаления дефектного Al-Si покрытия со сплава ЦНК-7П на основе анализа процессов на межфазовой границе «электролит -поверхность детали» и физико-химического взаимодействия между компонентами травильного раствора впервые объяснен механизм удаления дефектного покрытия и последующая пассивация поверхности сплава.
3. Установлено, что увеличение жаростойкости и циклической термостойкости покрытия ВСДП-11 по сравнению с Al-Si покрытием обусловлено более благоприятным распределением элементов по глубине покрытия и снижением вероятности образования хрупкой мартенситной структуры между внешней и внутренней зонами покрытия ВСДП-11.
4. Установлен идентичный характер зависимости механических и физико-химических свойств поверхности сплава ЦНК-7П от дозы облучения ионами иттербия, характеризующейся наличием экстремума при дозе 5-10 ион/см, обеспечивающей повышение выносливости, жаропрочности и жаростойкости сплава за счет тормозящего действия дислокационной структуры и фаз выделения на основе иттербия.
5. Впервые показана возможность значительного повышения жаростойкости никелевых сплавов при сохранении требуемого уровня усталостной и длительной прочности за: счет использования комбинированного ионно-имплантационного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
1. Разработана и запатентована методика ускоренных испытаний поверхности никелевых сплавов с защитными покрытиями, позволяющая за 8-10 час получить коррозионные повреждения аналогичные эксплуатационным за 10-15 тыс. час наработки в составе изделия (патент РФ № 2247359). Данный способ может быть использован для ускоренной оценки коррозионной стойкости защитных покрытий на никелевых сплавах и выбора эффективных растворов для удаления дефектного покрытия.
2. Разработаны составы травильных электролитов и режимы химического удаления дефектного, алюмосилицидного покрытия, имеющего наработку и без наработки. Данные составы позволяют обеспечить приемлемое качество поверхности при значительной экономии материальных ресурсов, снижении экологической нагрузки на производство и увеличении загрузки мощностей серийного гальванического участка.
3. Показана возможность использования вакуумно-плазменного покрытия ВСДП-11 для длительной защиты поверхности лопаток из сплава ЦНК-7П от коррозии и окисления при дополнительном повышении термостойкости в 1,2 раза и долговечности материала в 1,5 раза в сравнении с Al-Si покрытием и сохранении предела выносливости на уровне исходного состояния сплава.
4. Разработаны режим и технология имплантации иттербием поверхности лопаток турбины из никелевых сплавов, обеспечивающие повышение предела выносливости материала на ЛЬ% и жаростойкости в 1,4 раза. На ФГУП НИИ «Мотор» проведена обработка партии рабочих лопаток II ступени свободной турбины ГТП-10/953 на базе ТРД Р95Ш, которые прошли без замечаний приемо-сдаточные испытания в составе изделия в КЦ-5 ОАО «Башкирэнерго».
5. Разработана ремонтно-восстановительная технология лопаток турбины ГПА из сплава ЦНК-7П, включающая удаление дефектного покрытия и проведение комбинированной ионно-имплантационной и вакуумно-плазменной обработки поверхности деталей. Данный технологический процесс позволяет на стадии ремонта лопаток увеличить жаростойкость в 2,35 раза, коррозионную стойкость в 1,9 раз, жаропрочность в 1,6 раз и выносливость в 1,2 раза, в результате чего достигается увеличение ресурса деталей в 1,2 раза. Данный техпроцесс принят к внедрению на ОАО УМЕЮ.
На защиту выносится:
1. Методика ускоренных испытаний по моделированию коррозионной повреждаемости поверхности лопаток.
2. Закономерности и режимы химического удаления Al-Si покрытия с поверхности лопаток, имеющих наработку и без наработки.
3. Результаты сравнительных испытаний на жаростойкость, циклическую термостойкость и выносливость сплава ЦНК-7П с серийным Al-Si покрытием и вакуумно-плазменным покрытием ВСДП-11.
4. Закономерности влияния дозы облучения иттербием на физико-химические, механические и эксплуатационные свойства сплава ЦНК-7П.
5. Результаты исследований жаростойкости, длительной прочности и сопротивления усталости сплава ЦНК-7П после комбинированной ионно-имплантационной и вакуумно-плазменной обработки его поверхности.
6. Ремонтно-восстановительная технология лопаток турбины ГПА из сплава ЦНК-7П по повышению их эксплуатационной надежности.
Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения Уфимского государственного авиационного технического университета с привлечением мощностей серийных участков и лабораторного оборудования ОАО УМПО, ФГУП НПП «Мотор» и кафедры общей химии УГАТУ.
По результатам получен 1 патент на изобретение, опубликовано 7 статей в центральной печати. Работа докладывалась на 10 международных и 5 Всероссийских конференциях и семинарах.
В работе использованы следующие методы исследований: специально разработанные и усовершенствованные методы ускоренных коррозионных тигельных испытаний, оценки циклической; термостойкости, определения съема покрытия, измерения электродного потенциала поверхности, а также стандартные методики измерения жаростойкости (ГОСТ 6130-71), усталостной прочности (ГОСТ 25.502-81), длительной прочности (ГОСТ 10145-81), металлографического (микроскоп METAVAE®), рентгеноструктурного (дифрактометр PW-1800, Philips) и микрорентгеноспектрального анализа (электронный микроскоп JXA-6400, JEOL), микротвердости (микротвердомер ПМТ-ЗМ) и шероховатости поверхности (профилометр 283), изучения масс-спектров вторичных ионов (масс-спектрометр «Полюс-4» (МС-7201М); Обработка данных проводилась с использованием методов математической статистики на ЭВМ.
Диссертационная работа выполнена на 249 страницах, содержит 72 рисунка, 31 таблицу и 3 приложения.
Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность Генеральному директору, Генеральному конструктору ФГУП НІШ «Мотор» А.Ф. Иваху, техническому директору ОАО УМЕЮ, к.т.н. СП. Павлиничу, нач. бюро имплантации ОАО УМЕЮ Н.Ф.Измайловой, к.т.н. М.К.Смысловой, к.т.н. И.П. Семеновой, к.т.н. Е.В. Парфенову, вед. инженеру ОАО УМПО P.P. Мухамет-шину, к.ф.-м.н. Ю.М. Юмагузину, инженеру ОАО УМПО Н.Н. Кузюре, О.Г. Смольниковой, А.А. Багаутдинову за помощь, оказанную в работе.
Анализ возможностей проведения эквивалентных ускоренных испытаний с целью создания искусственной наработки поверхности
Как указывалось выше, разработка ремонтной технологии для деталей и узлов двигателя, в частности турбинных лопаток, возможна только после выработки изделием определенного ресурса. Значительная длительность работы турбинных лопаток газогенератора и силовой турбины в составе ГПА обусловливает увеличение времени получения информации о возникающих дефектах и приводит к невозможности оперативной разработки ремонтных технологий. Поэтому возникает проблема проведения ускоренных эквивалентных испытаний. Разработка методики таких испытаний осуществляется на базе анализа факторов, влияющих на исчерпание ресурса турбинных лопаток [58-60]. К основным факторам,, которые сказываются на работоспособности лопаток, проявляются во времени и поддаются количественной оценке, можно отнести длительную прочность, термоусталость, жаростойкость и коррозионную стойкость [1, 43, 58, 61]. Их вклад в ограничение работоспособности лопаток турбин приведен в таблице 1.2. Анализ приведенных в таблице данных и сопоставление условий работы лопаток турбины в составе наземных ГТУ с газовыми турбинами авиационных двигателей показывает, что для деталей турбин ГТУ наиболее значимым фактором, лимитирующим работоспособность лопаток, является жаро- и коррозионная стойкость защитного покрытия. В связи с этим при моделировании искусственной наработки поверхности следует создать условия для имитации коррозионных повреждений покрытия.
Анализ работ [1, 43, 61-63] показывает, что существует несколько способов ускоренных испытаний материалов с защитными покрытиями и без них: способ обмазки, тигельные и электрохимические испытания, испытания в камере сгорания и натурные испытания. В способе обмазки смесь, имитирующую золовые отложения на лопатках, наносят тонким слоем на их поверхность распылением водного раствора солей, окунанием образца в расплавленную соль или нанесением кистью суспензии синтетической золы в этиловом спирте. Далее образцы выдерживают в печи при заданной температуре. При тигельных испытаниях осуществляют полное или частичное погружение образца в расплав солей с выдержкой в печи при заданной температуре. В процессе электрохимических испытаний образцы также как и в способе тигельных испытаний погружают в расплав солей. Однако в отличие от последнего образцы дополнительно поляризуют и степень поражения поверхности оценивают путем измерения электрохимического потенциала поверхности образцов во времени. Испытания в камере сгорания проводят с использованием специальной установки, в состав которой входит форсунка для сжигания топлива, система подачи топлива и воздуха, камера сгорания и изотермическая камера, в которой размещают образцы. Агрессивность газового потока создается путем впрыскивания в камеру сгорания водного раствора смеси солей. Кроме того, испытания в камере сгорания для большей имитации рабочих условий проводят при давлениях порядка 0,3...2,0 МПа, что значительно повышает финансовые затраты на подобные испытания. Натурные испытания заключаются в проведении длительной наработки лопаток в составе действующих турбин. Использование двух последних вариантов проведения испытаний обеспечивает максимальное приближение к условиям эксплуатации и позволяет получить наиболее достоверные результаты о повреждаемости в условиях ВТК. Некоторые авторы [43, 63] отмечают, что при испытаниях в тиглях и с обмазкой поверхности образцов морфология продуктов коррозии аналогична продуктам коррозии на образцах, испытанных в камере сгорания и на лопатках после натурных испытаний. Имеются также экспериментальные данные [2], указывающие на соответствие коррозионной стойкости материалов, полученных по результатам испытаний в тиглях и в камере сгорания. Исходя из вышесказанного, следует полагать, что для получения искусственной наработки поверхности пригодны испытания в печах: тигельные и с обмазкой.
Испытания на высокотемпературную коррозию в тиглях проводят путем полного или частичного (обычно на половину высоты) погружения в расплав солей. В качестве солевого расплава используют смесь сульфата и хлорида натрия [31, 32, 64], чистый сульфат натрия [1], смесь хлоридов магния, калия и натрия [65], а также синтетическую золу сложного состава, включающую, кроме Na2SC 4 и NaCl, оксиды кальция, железа, никеля и магния [55]. Тигли с образцами и расплавом находятся во время опытов в нагревательной печи, с помощью которой поддерживается необходимая температура. Газовой средой при таких испытаниях служит в основном воздух [43].,
Как показывает анализ литературных данных, тигельный способ является весьма распространенным. Однако в процессе испытаний образец находится в постоянном контакте с расплавом солей, объем которого зачастую превышает объем солей, попадающих в горячий тракт двигателя. В связи с этим при реализации данного способа коррозионных испытаний возможны явления значительного усиления коррозии, обусловленные проявлением механизмов основного и кислотного флюсования [61, 64], электрохимического воздействия расплавленной соли [32, 65], образованием псевдоокалины [1]. В реальных условиях эксплуатации лопаток газовых турбин такие процессы наблюдается не всегда.
Для приближения условий испытаний к натурным по воздействию агрессивной среды целесообразно использование способа; связанного с нанесением поверхностного слоя синтетической золы (или способ обмазки). Здесь в отличие от тигельных испытаний смесь, необходимую для имитации золовых отложений, наносят тонким слоем на поверхность исследуемых образцов. Данный слой получают распылением насыщенного водного раствора солей на поверхность разогретых образцов, окунанием образца в расплавленную соль или нанесением кистью суспензии синтетической золы в этиловом спирте. После высыхания слоя образцы выдерживают в печи при определенной температуре.
Указанный способ в большей степени отражает реальные условия эксплуатации, однако требует периодического возобновления слоя золы, причем всегда определенного и одинакового по «нагружающей» способности. Кроме того, здесь также возможно проявление выше указанных механизмов коррозионного повреждения поверхности, что является нежелательным процессом. Наиболее приближенным к натурным испытаниям является метод Дина [1], в котором соль на поверхность образцов, находящихся в испытательной печи, наносится в результате осаждения г из газовой среды, поступающей в нее вследствие выпаривания солевого расплава во вспомогательной печи. Метод позволяет имитировать газовую среду по агрессивности, по составу и по скорости ее подачи к поверхности образца.
Технология нанесения защитных покрытий Al-Si и ВСДП-11 на поверхность сплава ЦНК-7П
Изучаемые жаростойкие покрытия Al-Si и ВСДП-11 являются алюми-нидными. Рассмотрим особенности технологии их нанесения. Алюмосилицирование образцов проводилось методом окраски и заключалось в нанесении алюминиево-кремниевой краски на поверхность с использование пульверизатора СО-6А через распылитель с последующим диффузионным отжигом [73]. Краска для алюмосилицирования имела следующий состав: - раствор коллоксилина 350 мл; - алюминиевый порошок АСД-4 214 г; - кремниевый порошок 11г. В качестве кремниевого порошка использовался кристаллический кремний, предварительно размолотый на шаровой мельнице и просеянный через сито № 0040. Компоненты краски смешивались в емкости из нержавеющей стали на специальной установке в течение 3 ч. Готовая краска процеживалась через сито № 0040-0050 и заливалась в пульверизатор. Давление воздуха при нанесении краски составляло 2 атм. Образцы окрашивались за 2 прохода с последующей просушкой в вытяжном шкафу в течение 1ч. Диффузионный отжиг проводился в вакууме (р 10 3 мм рт. ст.) при температуре 1000 ±10 С в течение 2 ч ±10 мин. После термообработки поверхность образцов очищалась от налетов окислов капроновой щеткой.
Вакуумно-плазменное покрытие ВСДП-11 наносилось на установке МАП-1 [94]. Образцы размещались в камере установки в специальных кассетах, после чего камера вакуумировалась до остаточного давления р (3...5)-10-4 мм рт. ст. В вакуумно-дуговом разряде, возникающем между катодом из алюминиевого сплава и анодом, сплав испаряется, ионизируется и в виде плазмы направляется на поверхность образцов, обеспечивая с высокой точностью перенос «элементного» состава алюминиевого сплава и соответствие состава осажденного слоя составу испаряемого катода.
В работе в качестве катода для нанесения покрытия использовался сплав ВСДП-11 по ТУ 1-595-27-187-84, представляющий собой алюминиевый сплав, легированный кремнием и иттрием: А1 - основа, Si - 4,5...5,5 % мас, Y - 1,1...1,8 % мас. При осаждении слоя сплава величина отрицательного потенциала, подаваемого на образцы, составляла 50 В, ток дуги - 500 А,-напряже ниє дуги - 3 3. ..35В. При указанных параметрах скорость осаждения сплава достигала 22,5...25 мг/с.
Согласно данным работы [103] при отрицательном потенциале менее 100 В температура поверхности образцов невелика, и скорость осаждения превышает скорость протекания химико-термических реакций образования алю-минидов. Поэтому окончательное формирование покрытия происходит в процессе последующего отжига. Диффузионный отжиг образцов проводился в вакууме (р 10"5 мм рт. ст.) при температуре 1050 ±10 С в течение 3 ч ±10 мин. После термообработки поверхность образцов очищалась от налетов окислов капроновой щеткой.
Ионная имплантация поверхности образцов проводилась на установке ВИТА, позволяющая в едином цикле производить ионную очистку поверхности обрабатываемых деталей и осуществлять легирование примесями [118]. Им-плантационная технология является экологически чистой и в имплантере ВИТА радиационно-безопасной. Общая схема установки приведена на рисунке 2.2.
Установка включает вакуумную камеру источника высокоэнергетических ионов 2 с источником ионов 1, отделенную от промежуточной камеры 10 и приемной камеры 3 двусторонним вакуумным затвором 4. Затвор позволяет производить загрузку деталей; без развакуумирования камеры ионного источника; в штатной приемной камере расположена карусель 5, рассчитанная на загрузку тел вращения, крепящихся цанговыми зажимами. Каждое изделие имеет двойное вращение - вокруг своей оси и по образующей карусели. В приемной камере на отдельных фланцах расположены плазменные источники для предварительной очистки изделий 6 и для нанесения тонких пленок 7. Параметры ионного и плазменного пучков стабилизируются и контролируются системой реперов 8, 9.
Перед имплантацией образцы промывались ацетоном и спиртом, после чего размещались в камере на специальной подвеске из нержавеющей стали. Время выхода на режим составляло 0,25 ч. Ионно-имплантационное модифицирование поверхности проводилось по следующим режимам: - сорт иона: иттербий; - доза имплантации: Д = 10 ...2x10 ион/см ; - энергия ионов: Е = 30...40 кэВ; - плотность ионного тока: j ,,= 20.. .40 мкА/см2. Длительность процесса определялась дозой имплантации и составляла от 0,5 мин до 100 мин. Исследование жаростойкости образцов проводилось весовым методом в соответствии с ГОСТ 6130-71. В качестве объекта испытания использовались образцы размером 20x10x3 мм. Перед испытаниями поверхность образцов промывалась спиртом и высушивалась. Обезжиренные образцы взвешивались на аналитических весах ВЛА-200г-М с точностью 0,0001 г и размещались в фарфоровые тигли, доведенные до постоянной массы, после чего определялась масса образцов с тиглями. Выдержку образцов проводили в муфельной печи типа МШУ при температуре 850.±2.С Через каждые 10 ч испытаний тигли с образцами вынимались из печи, помещались в эксикатор для охлаждения до комнатной температуры и взвешивались. После этого цикл повторялся снова. Удельный привес образцов (q) вычислялся по формуле
Изучение особенностей высокотемпературного окисления и газовой коррозии поверхности сплава ЦНК7П
При коррозионных испытаниях в начале процесса парциальное давление кислорода превышает парциальное давление других коррозионных агентов, т.е. процесс коррозии обычно начинается с окисления подложки. Поэтому для совокупной оценки высокотемпературной коррозии сплава ЦНК-7П сначала целесообразным является рассмотрение процесса его окисления при максимальной температуре эксплуатации [46].
На рисунке 3.3 приведен характер изменения удельной массы образцов при окислении за 300 ч испытаний. Как видно из рисунка, характер изменения кинетики окисления образцов не подчиняется классическому параболическому закону. В данном случае реализуется закон окисления, близкий к логарифмическому. В первые часы испытаний ( 20 ч) наблюдается практически линейное возрастание удельной массы образцов. В последующий интервал; времени (до 100 ч) скорость привеса снижается в 2,5 раза, а за время испытаний до 300 ч -в 11 раз.
Кинетика и механизм окисления никелевых сплавов зависят от концентрации хрома и алюминия [43] и от температуры процесса [44]. По данным химического анализа в составе сплава ЦНК-7П установлено содержание хрома 14,3 % мае. и алюминия - 4,05 % мае. Согласно данным работы [46] при относительно высоком содержании хрома ( 15 %) и алюминия ( 3 %) сплав ЦНК7П может быть отнесен к III группе, что определяет особенности его окисления.
В начальный период окисления в результате интенсивного взаимодействия тонкого поверхностного слоя сплава с кислородом воздуха на поверхности образуется тонкий слой оксидной пленки, которая содержит оксиды почти каждого из легирующих компонентов сплава, например, NiO, СоО, Сг20з, А120з, ТЮ2 и т.д. Рост оксидов определяется их термодинамической вероятностью и кинетическими факторами. В таблице 3.5 представлены данные по значениям термодинамического потенциала образования (AG) некоторых оксидов.
Как видно из таблицы, оксиды А120з и Сг20з имеют более высокую термодинамическую вероятность образования. Однако минимальные значения AG только предполагают возможность образования оксидов, но не определяют полностью природу устойчивой оксидной пленки. В данном случае определяющую роль играют кинетические особенности роста того или иного оксида. Оксиды N10 и СоО растут с более высокой скоростью, чем оксиды А120з и
Cr203 [23]. Однако, оксиды никеля и кобальта менее стабильны [43] и при их диссоциации высвобождается кислород, который взаимодействует с хромом или алюминием, что приводит к образованию соответствующих оксидов под слоем, образовавшимся на стадии неустановившегося окисления. В итоге наблюдается преимущественный рост оксидов AI2O3 и Сг2Оз, обладающих высокой защитной способностью. Образование такой стабильной оксидной пленки способствует уменьшению скорости окисления сплава. На данном этапе сформировавшаяся окалина состоит из двух основных слоев: внешний — оксид никеля, внутренний"- шпинель Ni (Сг, А1)204 и оксид а- А120з. Между этими слоями располагаются оксиды хрома Сг20з.
Увеличение продолжительности окисления до 300 ч вызывает не только утолщение оксидной пленки, но и изменение ее фазового состава в результате ряда сложных реакций. Оксидный слой состоит в основном из а- А12Оз, на внешней поверхности которого наблюдаются отдельные зерна оксида никеля и кобальта, а у границы с основным материалом имеются включения оксидов хрома. Такое строение защитной пленки приводит к заметному снижению скорости окисления сплава, однако не сводит ее к нулю. По-видимому, кроме стационарного механизма окисления, когда скорость роста стабильных защитных оксидных пленок определяется преимущественно диффузией ионов решетки через оксид [47], наблюдается и влияние других факторов - морфологических, механических, химических и др.
Так, при окислении сплава ЦНК-7П в результате периодического охлаждения до комнатной температуры из-за различия температурных коэффициентов расширения сплава и оксидов А120з и Сг2Оз защитная пленка может растрескиваться и отслаиваться, облегчая доступ кислорода вглубь сплава.
Кроме того, в работах [45, 151] отмечается, что в процессе тепловых выдержек происходят карбидные превращения:
Освободившийся титан способен диффундировать в оксидную пленку и в результате окисления образовать перовскиты:
Границы раздела перовситов МТіОз и шпинели Ni (Cr, Al)204 не когерентны [43], что в результате внутренних напряжений приведет к сколам и отслаиванию защитной оксидной пленки. В результате описанных процессов окисление сплава будет продолжаться, хотя и с меньшей скоростью.
Закономерности, установленные при высокотемпературном окислении сплава, следует учитывать при изучении процесса высокотемпературной коррозии в агрессивной среде. Скорость высокотемпературной коррозии сплавов в среде агрессивных агентов (S, V, С1 и т.д.) на несколько порядков выше скорости их окисления на воздухе. На рисунке 3.4 представлена кинетика коррозии сплава ЦНК-7П в разработанном нами составе синтетической золы.
Закономерности удаления Al-Si покрытия, имеющего высокотемпературное коррозионное повреждение
Наиболее значимыми дефектами, которые наблюдаются на поверхности турбинных лопаток, прошедших эксплуатацию в составе двигателя, являются: термоусталостное растрескивание и коррозионное повреждение покрытия. Как правило, лопатки с термоусталостным растрескивание покрытия бракуются в виду распространения трещины в основной материал лопатки. Коррозионное повреждение вызывается изменением фазового состава покрытия, что приводит к потере его защитных свойств. Как показывает опыт ремонта подобных лопа ток, при таких повреждениях материал основы остается работоспособным. По этому лопатки с коррозионным повреждением покрытия подлежат восстанови тельному ремонту, включающему удаление дефектного покрытия с обеспече нием качества поверхности лопатки, удовлетворяющего требованиям повтор ного их перепокрытия. В настоящее время турбинные лопатки из сплава ЦНК7П со шликерным Al-Si покрытием находятся в опытно-промышленной эксплуатации в составе газоперекачивающего агрегата ГПА-16Р «Уфа». Межремонтный ресурс изделия составляет 10 тысяч часов.
Поэтому в связи с отсутствием натурных лопаток, прошедших наработку, для исследования были подготовлены специальные образцы, подвергнутые наработке в лабораторных условиях по методике, представленной в главе 2. Как показано в работе [33], при высокотемпературных испытаниях за время 8-10 часов наблюдается повреждение покрытия практически на всю глубину без вхождения фронта коррозионного поражения в основной материал. Как следует из таблицы 3.9, кроме основных составляющих покрытия на поверхности образцов, подвергнутых высокотемпературной коррозии, рентгено-фазовым анализом обнаружены оксиды алюминия и сульфиды никеля, хрома и алюминия. Кроме того, к данному времени испытаний начинают также формироваться ванадиды никеля и кобальта. Такое изменение физико-химического состояния поверхности лопаток повлияет на кинетику процесса удаления дефектного покрытия и топографию поверхности сплава, что может вызвать необходимость корректировки состава травильного раствора. Для изучения процессов удаления покрытия с образцов, имеющих наработку, использовались растворы, применяемые для образцов без наработки. Данные по изучению скорости удаления покрытия, глубины растравов по сплаву и величинам электродных потенциалов представлены на рисунках 4.10 и 4.11 и в таблице 4.2. Рассмотрим особенности удаления дефектного покрытия в базовом растворе без добавок [120]. Как видно из рисунка 4.10, скорость удаления покры-тия мала и составляет 0,2 мг/см -мин. В отсутствие активизирующих добавок протекают процессы, аналогичные процессам удаления покрытия без наработки.
Однако исследованиями установлено незначительное снижение скорости съема покрытия, имеющего наработку, что связано с наличием на поверхности образцов коррозионно-пассивных оксидов и сульфидов алюминия. Наличие возникающих при наработке пассивных соединений сказывается также и на величине электродного потенциала поверхности (таблица 4.2). В виду возрастания гетерогенности поверхность с наработкой характеризуется по сравнению с состоянием без наработки несколько меньшим значением начального потенциала, которые составляют 360 и 420 мВ для образцов с наработкой и без наработки соответственно. В дальнейшем за время травления 25 мин (рис. 4.12) электродный потенциал возрастает и достигает значения 400 мВ и длительное время - практически до 100 мин - сохраняет свое постоянное значение. Некоторое возрастание потенциала может быть связано с растворением сульфидов никеля, расположенных в основном в.верхней части внешней зоны покрытия. В результате обнажаются участки, содержащие P-NiAl фазу, которые в совокупности с оксидами и сульфидами алюминия обусловливают некоторый сдвиг потенциала в положительную сторону. После удаления покрытия наблюдается резкий спад потенциала с переходом в отрицательную область до значения -640 мВ. Следует учесть, что для образцов без наработки аналогичный потенциал составляет-600 мВ (табл. 4.1). Данный факт может быть связан с уменьшением в процессе наработки концентрации легирующих тугоплавких элементов в поверхности сплава [23, 21, 44]. При повышенной температуре в сплаве возможно также протекание карбидных реакций [151]: TOeMi,Cr,W, что приводит к повышению гетерогенности поверхности сплава. Рассмотрим влияние наработки на величину растравов по сплаву после удаления покрытия. Сопоставление данных, представленных на рисунках 4.3 и 4.11, показывает, что на образцах с наработкой глубина локальных растравов по сплаву уменьшается в 1,5 раза по сравнению с образцами без наработки и составляет 4,2 мкм. Предполагается, что причиной данного факта является различие фазового состояния поверхности сплава без наработки и имеющего нара ботку. При наработке междендритные пространства в результате карбидных реакций (4.12) и (4.13) обогащаются химически более пассивными карбидами типа М2зС6 и М6С и дополнительными выделениями фазы y -Ni3Al, которая является более коррозионно-устойчивой по сравнению с у-твердым раствором. Поэтому травлению в большей степени подвергаются обезлегированные края зерен. В результате фронт травления распространяется не в глубину сплава, а по поверхности в междендритных пространствах и ширина растравленной зоны достигает 16 мкм. Незначительное количество таких карбидов на образцах без наработки в условиях большей химической активности межзеренных пространств способствует травлению данных областей, и фронт распространяется в глубь сплава. Высказанные предположения подтверждаются результатами металлографического анализа образцов, микроструктура которых представлена на рисунках 4.5 и 4.13.
Похожие диссертации на Разработка ремонтно-восстановительной технологии лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П
