Система производства комплексных защитных покрытий для лопаток газотурбинных двигателей Кузнецов, Валерий Павлович

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ

Длительная эксплуатация рабочих и сопловых лопаток турбины высокого давления (ТВД) из жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС) невозможна без защитных покрытий, так как современные ЖНС обладают низкой жаростойкостью при температуре эксплуатации. Для современных авиационных ГТД 4,5-5 поколения рабочие лопатки ТВД изготавливаются из ЖНС в монокристальном состоянии, должны иметь жаростойкое защитное покрытие на наружной поверхности пера, обеспечивающее защиту от воздействия высокотемпературного газового потока до 1250С, а также -защитное покрытие во внутренних полостях и в перфорационных отверстиях. Несмотря на обширные литературные данные и многолетний опыт эксплуатации, выбор защитного покрытия для турбинных лопаток конкретных ГТД весьма затруднен и должен быть индивидуальным для каждого двигателя.

Таким образом, развитие авиационного двигателестроения выявило острую необходимость создания системы принципиально новых технологий нанесения жаростойких защитных покрытий на охлаждаемые лопатки ТВД, конструирование комплексных градиентных покрытий, обеспечивающих работоспособность и ресурс лопаток ГТД. Это потребовало создания промышленного оборудования и разработки технологий для нанесения этих покрытий с целью обеспечения заданного ресурса лопаток ТВД и в целом работоспособности ГТД, т.е создания системы производства.

В настоящее время жаростойкие защитные покрытия с заданным ресурсом при высоких температурах и требуемыми свойствами возможно получить только последовательным чередованием различных технологий: газоциркуляционного метода (ГЦП) и ионно-плазменной технологии (ИПП), т.е. созданием диффузионно-конденсационных защитных покрытий. ГЦП -самые эффективные и единственные покрытия для защиты внутренней полости и перфорационных отверстий охлаждаемых лопаток турбины, а ИПП -конденсационные покрытия различного типа для защиты внешней трактовой поверхности лопаток от газового потока продуктов сгорания топлива. Различия условий работы защитных покрытий на наружной поверхности пера лопаток и во внутренней полости накладывают определенные условия на принципы конструирования защитных покрытий для лопаток ТВД теплонапряженных ГТД из сплавов с монокристальной структурой. Температура внешней и внутренней поверхностей лопаток турбин при современном уровне тепловых потоков в ГТД отличается на 200-250С, а внешняя трактовая поверхность лопаток современных ГТД работает при температурах 1150-1250С. Защита поверхности внутренней полости и перфорационных отверстий охлаждаемых лопаток турбины имеет очень важное значение, так как в большинстве случаев разрушение лопаток начинается с зарождения, микротрещин на этих поверхностях.

РОС НАЦИОНАЛЬНА* | БИБЛИОТЕКА

< О» WO 7*» J ^рй

Разработанные в настоящей работе новые комплексные защитные покрытия для лопаток современных ГТД базируются на трудах ученых и специалистов в области диффузионных и конденсационных покрытий, а также жаропрочных никелевых сплавов: отечественных ученых —Н.В. Абраимов, Б.Н. Арзамасов, С.З. Бокштейн, Б.Н. Гузанов, Е.Н. Каблов, СТ. Кишкин, П.Т. Коломыцев, СВ. Косицын, B.C. Литвинов, Б.С Ломберг, СА. Мубояджян, А.И. Рыбников, В.В. Ртищев, Р.Е. Шалин и др.; атакже зарубежных -Д. Бун, Д. Вуд, Д. Говард, В. Гил, Д. Гупта, Р. Кларк, И. Малашенко, Р. Марвель, В. Мовчан, И. Райт, Ч. Симе, А. Стринг, Н. Столофф, У. Хагель и др.

Необходимо проведение глубоких исследований для выявления механизма формирования, структурного и фазового состояния газоциркуляционных покрытий на ЖНС, особенно на монокристальных никелевых суперсплавах и оценки их служебных свойств. Такие исследования необходимы при разработке комплексных защитных покрытий, имеющих градиентное распределение легирующих элементов по толщине: формирование на поверхности сплава диффузионного барьерного слоя из [3-фазы NiAl, последующее нанесение двухслойных конденсированных слоев, состоящих из внутреннего легированного слоя на основе Ni-Cr-Al-Y и внешнего слоя на основе легированной Р-фазы NiAl.

Прогресс в повышении жаропрочности сплавов был достигнут при легировании их такими элементами, как тантал и рений. Эти сплавы, обладающие высоким уровнем прочностных свойств, должны гарантировать заданный ресурс работы рабочих лопаток ТВД. При этом возникает проблема изучения стабильности структуры сплавов, так как термостабильность структуры сплава определяющим образом будет влиять на надежность и долговечность сплава при эксплуатации. Недостаток в литературе сведений о структуре и свойствах монокристальных суперсплавов ЖС32ВИ и ЖС36ВИ обусловил необходимость систематического исследования фазовой и структурной стабильности, а также служебных свойств этих сплавов с целью применения при изготовлении монокристальных рабочих лопаток ТВД с комплексными защитными покрытиями.

Актуальность диссертационной работы подтверждается также ее соответствием Федеральной целевой программе «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 года», комплексной программе МАП СССР и Минвуза РСФСР «Авиационная технология», Постановлениям Совета Министров СССР № 1147 от 11.16.81, № 1035 от 04.10.84; приказу Минавиапрома, Минсудпрома и Минвуза СССР № 841/538/605 от 10.12.87 и другим директивным документам.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ: производство комплексных защитных покрытий для лопаток ГТД технологии и оборудование для их нанесения.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ: программы и проекты для развития системы производства комплексных защитных покрытий для лопаток ГТД.

Цель: система производства комплексных защитных покрытий и технологии для охлаждаемых лопаток современных ГТД. Задачи:

1. Оценить состояние проблемы с выходом на прототип;

2. Разработать пакет программ и проектов для реализации системы производства комплексных защитных покрытий для турбинных лопаток;

3. Изучить закономерности экзоэлектронной эмиссии с поверхности металлов и их оксидов и ее применение при разработке и оценке защитных свойств жаростойких покрытий;

4. Создать промышленную установку для нанесения газоциркуляционных защитных покрытий на внутреннюю поверхность охлаждаемых лопаток ТВД, изучить механизм формирования, структуру и фазовый состав жаростойких ГЦП на жаропрочных суперсплавах с направленной и монокристаллической структурами;

5. Оценить термостабильность структуры и прочностные свойства жаропрочных суперсплавов с монокристаллической структурой, легированных Re и Та;

6. Развить управление реализацией производства комплексных защитных покрытий;

7. Создать научно обоснованные высокоресурсные комплексные градиентные жаростойкие защитные покрытия, обеспечивающие длительную защиту лопаток ТВД современных ГТД при эксплуатации;

8. Оценить результативность предложенных программ и проектов, а также системы в целом.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ: системного подхода, моделирования, управления проектами, натурного эксперимента, металлофизического анализа и т.п.

9. Впервые созданы и реализованы программы и проекты производства комплексных жаростойких защитных покрытий для охлаждаемых лопаток ТВД;

10. Впервые создана система обеспечения жизненного цикла производства комплексных защитных покрытий для турбинных лопаток ГТД;

11. Результаты систематического исследования экзоэлектронной эмиссии с поверхности металлов и оксидов и предложенные на основе этих результатов

механизмы положительного влияния кремния и лантана на защитные свойства алюминидных покрытий, а также обоснованные составы для термодиффузионного нанесения легированных алюминидных покрытий;

4. Впервые разработаны установки для нанесения газоциркуляционных жаростойких покрытий на наружную и внутреннюю поверхность лопаток ТВД со сложной конфигурацией внутренней полости;

5. Установлены основные закономерности формирования и структурные особенности ГЦП на современных никелевых суперсплавах с направленной и монокристальной структурами;

6. Результаты исследования структурной стабильности монокристальных суперсплавов ЖС32ВИ и ЖС36ВИ, особенности формирования рафт-структуры в этих сплавах;

7. Разработаны научные основы создания высокоресурсных комплексных градиентных жаростойких защитных покрытий для монокристальных лопаток ТВД современных теплонапряженных ГТД;

8. Новизна разработанных решений подтверждена 25 авторскими свидетельствами и патентами РФ.

1. Решена крупная научно-техническая проблема - создана система производства комплексных защитных покрытий для теплонапряженных лопаток современных ГТД;

2. Предложенные и экспериментально подтвержденные механизмы влияния кремния и лантана на защитные свойства алюминидных покрытий легли в основу создания составов для термодиффузионного насыщения лопаток ТВД стационарных газоперекачивающих агрегатов ГТН-16;

3. Создан перспективный промышленный процесс получения жаростойких покрытий во внутренних полостях и перфорационных отверстиях современных лопаток ТВД любой конфигурации и выпущены технологические инструкции;

4. Разработаны оригинальные промышленные установки и созданы типовые участки для нанесения ГЦП на охлаждаемые лопатки ТВД (ОАО «Пермский моторный завод», ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь; ГП ЗМКБ «Прогресс», г. Запорожье);

5. Разработаны и внедрены в производство комплексные жаростойкие покрытия для наружной поверхности лопаток с направленной и монокристальной структурами:

ГЦП А1(СгА1) + СДП-2 (NiCrAlY) + ВСДП-16 (NiAl) ,

ГЦП CrAl + NiCrAlTaReY + AINiCrY;

6. Разработанные комплексные защитные покрытия, обладающие высокими
технологическими характеристиками, используются в серийном производстве
при изготовлении рабочих и сопловых лопаток ТВД современных авиационных
двигателей: ПС-90А, ПС-90А2 (самолеты ИЛ-96-300, ТУ-204, ТУ-214, ИЛ-

76МФ), Д-18Т (самолет АН-124) и созданных на их базе наземных и энергетических установок (ГТУ-12П, ГТУ-16П, ГТУ-25ПЭР и т.д.);

7. Данные современные ГТД имеют высокий КПД, низкий удельный расход топлива, обладают высокой экономичностью и вносят значительный вклад в энергосбережение;

8. Комплексные градиентные жаростойкие защитные покрытия предназначены также для ГТД пятого поколения с температурой газа на входе в турбину 1850 К;

9. Научные результаты диссертационной работы используются при выполнении дипломных исследований студентами кафедры «Металловедение» УГТУ-УПИ и в спецкурсе при чтении лекций студентам.

За комплекс работ, по созданию и внедрению высокоэффективных защитных покрытий присуждена Премия Правительства РФ в области науки и техники за 2002 г.

Разработанные составы и технологические процессы нанесения комплексных защитных покрытий отмечены научными премиями им. П.А. Соловьева, В.Я. Климова, В.Е. Грум-Гржимайло, памятной медалью в честь 100-летия А.Г. Ивченко.

Основные результаты работы доложены на пяти Международных, двадцати Всесоюзных и Всероссийских научно-технических конференциях и симпозиумах, десяти Уральских школах металловедов-термистов.

ПУБЛИКАЦИИ: основные результаты диссертации опубликованы в 89 печатных работах, в том числе 25 авторских свидетельствах и патентах РФ, список которых приводится в конце диссертации.