Введение к работе
Актуальность темы. В современных авиационных газотурбинных двигателях на долю жаропрочных сплавов приходится до 40% их массы, и по прогнозам это соотношение в ближайшее время сохранится. При этом значительное место в общей номенклатуре жаропрочных сплавов занимают обладающие более высокой жаропрочностью литейные сплавы.
Создание авиационных газотурбинных двигателей 4-го и 5-го поколения, у которых температуры рабочего газа на входе в турбину достигают уровня 1700 -1750 К и выше, потребовало разработки новых жаропрочных сплавов и перехода от равноосной кристаллической структуры литых лопаток турбин к лопаткам с направленной и монокристаллической структурой. Однако, обеспечение высокой жаропрочности таких сплавов сопровождается заметным снижением уровня жаростойкости, в связи с чем возникла острая необходимость в разработке и создании новых покрытий, способных защитить лопатки ГТД от высокотемпературной (1370 - 1470 К) газовой коррозии, термоусталостных повреждений и обеспечить требуемые ресурс и надежность работы. При этом фазовая и структурная стабильность комплексных защитных покрытий в области рабочих температур будет определять надежность и долговечность при эксплуатации самих рабочих лопаток турбин.
Однако, создание структурно-стабильных покрытий на лопатках из безуглеродистых монокристаллических рениисодержащих жаропрочных никелевых сплавов проблематично из-за отсутствия сетки карбидов МеС на границе сплав -покрытие, приводящего при температурах эксплуатации к увеличению диффузионного проникновения атомов А1 и Сг в материал - основу под действием градиента концентрации этих элементов. Вследствие этого, при эксплуатации ГТД под покрытием образуется зона диффузионного взаимодействия (вторичная реакционная зона - SRZ), в которой выделяются топологически плотноупакованные фазы пластинчатой формы, что в свою очередь приводит к катастрофическому разупрочнению поверхности лопаток на глубину до нескольких сот микрометров.
Наряду с этим из-за повышенной диффузионной подвижности легирующих элементов основы W, Та, Re на границе сплав - покрытие снижается фазовая и структурная стабильность самого защитного жаростойкого покрытия, что приводит к резкому снижению его эксплуатационных характеристик. Поэтому, для обеспечения термической стабильности жаростойких покрытий и сохранения прочностных характеристик безуглеродистых жаропрочных никелевых сплавов в контакте с покрытием в процессе эксплуатации, требуется разработка специальных барьерных слоев, препятствующих возникновению SRZ или сдерживающих чрезмерное распространение этой зоны вглубь сплава изделия. Таким образом, проблема создания структурно - стабильных жаростойких покрытий на монокристаллические лопатки из рениисодержащих жаропрочных никелевых сплавов (Re>2-3%) на сегодняшний день является актуальной и требует комплексного
подхода с учетом многих технологических факторов и эксплуатационных характеристик изделий.
Цель работы. Разработка метода проектирования многокомпонентных жаростойких покрытий, обеспечивающих при заданных условиях эксплуатации надежную защиту высоконагруженных деталей ГТД.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
Провести оценку изменения концентрации легирующих элементов в различных сечениях материала - основы, барьерного слоя и жаростойкого покрытия, происходящего вследствие диффузионного массопереноса при эксплуатации изделий.
Разработать методику расчета коэффициентов диффузии в многокомпонентных металлических системах, необходимых для определения концентрации легирующих элементов в сечениях защищаемого изделия и жаростойкого покрытия.
Выявить закономерности протекания структурных и фазовых превращений в системе «сплав - барьерный слой-покрытие» и построить регрессионные модели для прогнозирования фазового состава, количественной оценки структуры и эксплуатационных характеристик изделий с жаростойкими покрытиями.
Выполнить оценку структурной и фазовой стабильности в различных сечениях жаростойких композиций в диапазоне температур 850 - 1250С.
Разработать методику расчета химических составов и толщины барьерных слоев и жаростойких покрытий для монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов (в т. ч. ренийсодержащих), не вызывающих образования SRZ и обладающих необходимым интегральным запасом легирующих элементов.
Научная новизна работы:
выявлены закономерности протекания структурных и фазовых превращений в системе «жаропрочный сплав - барьерный слой - жаростойкое покрытие» при эксплуатации рабочих лопаток ГТД;
предложено использовать параметры структурной и фазовой стабильности жаропрочных никелевых сплавов для оценки структурного состояния системы «сплав - барьерный слой - жаростойкое покрытие» в условиях эксплуатации;
определены значения коэффициентов диффузии легирующих элементов в многокомпонентных системах жаропрочных никелевых сплавов;
разработаны математическая модель и алгоритм прогнозирования ресурса работоспособности покрытия, а также проектирования составов покрытий для заданных условий эксплуатации и химического состава защищаемого сплава.
Практическая значимость работы:
- разработана методика расчета коэффициентов диффузии легирующих эле
ментов в многокомпонентных монокристаллических никелевых сплавах;
разработана методика определения химического состава и толщины барьерного слоя и жаростойкого покрытия, обеспечивающих работоспособность изделия в целом при заданных условиях эксплуатации;
разработаны прикладные программы для выполнения количественных расчетов при прогнозировании ресурса и конструировании жаростойких покрытий.
По предлагаемому методу рассчитаны барьерные слои и жаростойкие покрытия на монокристаллические жаропрочные никелевые сплавы ЖС32, СЛЖС -1, СЛЖС - 3 при разработке перспективного двигателя ОАО «НПО «Сатурн», согласно программе совместных работ с ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» (п. 5. 2 протокола № 99 от 18.11.2010 г.).
Основные положения, выносимые на защиту:
Диффузионная модель взаимного массопереноса легирующих элементов жаропрочного сплава и жаростойкого покрытия, позволяющая определить их концентрации в любом сечении композиции «лопатка - барьерный слой - жаростойкое покрытие» для заданной температуры и продолжительности эксплуатации изделия.
Математическая модель комплексного определения коэффициентов диффузии легирующих элементов в многокомпонентных металлических системах жаропрочных никелевых сплавов и жаростойких покрытий, основанная на данных по преодолению ликвационной неоднородности в литых монокристаллах жаропрочных ренийсодержащих никелевых сплавах.
Регрессионные модели для определения количественных характеристик структуры, фазового состава и эксплуатационных свойств монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов с использованием информационной технологии конфлюэнтного анализа.
Метод проектирования многокомпонентных жаростойких покрытий для монокристаллических рабочих лопаток ГТД из никелевых сплавов.
Объектами исследования являлись жаропрочные никелевые сплавы для монокристаллического литья ЖС32, СЛЖС - 1, СЛЖС - 3, материалы экспериментальных жаростойких покрытий ПК - А и ПК - Н, барьерных слоев ПС - А и ПС - Н, а также жаростойкие покрытия Ni - Со - Сг - А1 - W - Та - Hf - Y.
Методы исследования и достоверность результатов. Для определения концентраций легирующих элементов в различных слоях изделий из жаропрочных никелевых сплавов и нанесенных жаростойких покрытиях, исследования микроструктуры и фазового состава, а также химического состава отдельных фаз использовали растровый электронный микроскоп с возможностью микрорентге-носпектрального анализа.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением положений теории диффузии, физического металловедения, использованием современных статистических методов обработки экспериментальных дан-
ных и подтверждается хорошим совпадением расчетных данных с результатами структурных исследований, проведенных на промышленных сплавах и жаростойких покрытиях.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались на конференции «Нанотехнологии в производстве авиационных газотурбинных двигателей летательных аппаратов и энергетических установок» (ГТД нанотехнологии - 2010), г. Рыбинск; на заседании научно - технического совета ОАО «НПО «Сатурн», протокол № 99 от 18.11.2010 г.; на совместном техническом совещании представителей ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» и ОАО «НПО «Сатурн», протокол № 726/012 - 009 от 25.01.2012 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы в научно - технических журналах, входящих в перечень утвержденный ВАК РФ изданий для публикации трудов соискателей ученых степеней и 1 работа в сборнике материалов научно-технической конференции.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка использованных источников. Работа изложена на 184 страницах машинописного текста, содержит 20 таблиц, 53 рисунка и 2 приложения. Библиографический список содержит 97 литературных источников.
