Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблемы защиты поверхности лопаток ГТД от агрессивного воздействия. цели и задачи исследования 18
1.1. Объект исследования. Условия работы лопаток ГТД 18
1.2. Принципы защиты лопаток компрессора от агрессивного
воздействия 37
1.3. Анализ защитных покрытий для лопаток ГТД 43
1.4. Анализ методов нанесения покрытий на лопатки ГТД 52
1.5. Многослойные ионно-плазменные покрытия 58
1.6. Анализ процесса формирования многослойных покрытий с субмикрокристаллической структурой 66
1.7 Анализ методов создания многослойных покрытий с субмикро кристаллической структурой 72
ГЛАВА 2. Методики экспериментальных исследований 85
2.1. Объект исследований, механические свойства и химический состав исследуемых материалов и покрытий 85
2.2 Принцип работы и краткое описание модернизированной установки ННВ6.6-И1 88
2.3 Методики исследования свойств вакуумных ионно-плазменных покрытий и эксплуатационных свойств лопаток компрессора ГТД
с покрытиями 94
2.3.1 Вторичная ионная масс-спектрометрия 94
2.3.2. Методика рентгеноструктурного анализа покрытий 96
2.3.3 Методика исследования адгезионной прочности вакуумных ионно-плазменных покрытий 100
2.3.4 Методика измерения микротвердости 102
2.3.5 Методика определения структуры 103
2.3.6 Методика коррозионных испытаний лопаток компрессора ГТД с ВИП покрытиями 104
2.3.7 Методика оценки толщины покрытия на образцах на приборе CSM CALOTEST 106
2.3.8 Методика проведения испытаний на усталостную прочность 109
ГЛАВА 3. Методы и механизмы формирования вакуумных ионно-плазменных покрытий с субмикрокристаллической структурой 113
3.1. Механизм формирования многослойных покрытий с субмикро кристаллической структурой композиции Ti-C-Si 113
3.2. Исследование вакуумно-дугового разряда генерируемого графито- кремниевым катодом 118
3.3. Процесс формирования многослойного покрытия системы TiiN с субмикрокристаллической структурой 126
3.4. Математическая модель процесса осаждения вакуумных ионно- плазменных покрытий с СМК структурой с двух электродуговых испарителей 129
ГЛАВА 4. Формирования покрытий с смк структурой в условиях модифицирования поверхности дополнительной ионной бомбардировкой 142
4.1 Формирование покрытий с субмикрокристаллической структурой в условия модифицирования поверхности дополнительной ионной бомбардировкой 142
4.2 Получение покрытий с СМК структурой в условиях плазменного ассистирования 143
4.3 Получение покрытий с СМК структурой осаждением с модифицированием поверхности разрядом на основе эффекта полого катода 145
ГЛАВА 5. Структура и фазовый состав покрытий с субмикрокристаллической структурой 168
5.1. Исследование структуры и фазового состава вакуумных ионно-плазменных покрытий композиции Ti-C-Si 168
5.2. Исследования ВИП покрытий на основе TiiN с СМК структурой. 180
5.3 Исследования покрытий с СМК структурой, полученных с использованием разряда на основе эффекта полого катода 188
ГЛАВА 6. Исследование СМК структуры, механических и эксплуатационных свойств многослойного покрытия 193
6.1 Исследование свойств многослойного покрытия системы Ti-C-Si 193
6.2 Эксплуатационные свойства покрытий на основе Ti-C-Si 194
6.3 Результаты исследования микротвердости образцов с много
слойными покрытиями системы Ti-C-Si 202
6.4 Исследование свойств многослойного покрытия системы Ті: - TiN
с СМК структурой 209
ГЛАВА 7. Технологии вакуумного ионно-плазменного осаждения покрытий с смк структурой на лопатки компрессора ГТД 226
7.1. Разработка технологии ВИП многослойных покрытий системы Ti-C Si в условиях плазменного ассистирования и их последующей
термической обработки на лопатки компрессора ГТД 226
7.2. Разработка технологического процесса синтеза многослойного покрытия композиции Ti-C-Si 233
7.3. Технология плазменно-ассистированного нанесения покрытий TiiN на лопатки компрессора ГТД 237
7.4 Разработка технологического процесса осаждения покрытия TiiN с СМК структурой 240
7.5 Технология осаждения покрытий с СМК структурой на лопатки компрессора ГТД с использованием разряда на основе эффекта полого катода 242
7.6. Разработка технологического процесса осаждения покрытия TiiN с СМК структурой с дополнительной ионной бомбардировкой,
реализуемой разрядом на основе эффекта полого катода 245
7.7 Модернизированная промышленная установки ННВ-6,6-И1 245
Заключение.
Основные результаты и выводы по работе 258
Список литературы 260
- Анализ методов нанесения покрытий на лопатки ГТД
- Методика исследования адгезионной прочности вакуумных ионно-плазменных покрытий
- Процесс формирования многослойного покрытия системы TiiN с субмикрокристаллической структурой
- Получение покрытий с СМК структурой осаждением с модифицированием поверхности разрядом на основе эффекта полого катода
Введение к работе
Актуальность работы. Повышение уровня эксплуатационных свойств наиболее нагруженных, ответственных и дорогостоящих деталей ГТД, таких как лопатки компрессора и турбины, изготавливаемые из высоколегированных сталей, титановых сплавов и жаропрочных сталей, является наиболее важной задачей авиационного двигателестроения. Решение этой задачи осуществляется с использованием нескольких подходов: разработка перспективных поликристаллических и монокристаллических сплавов, модернизация способов изготовления, формообразования и обработки изделий, развитие новых методов поверхностной обработки деталей и нанесение на поверхность защитных покрытий, в том числе и функциональных покрытий с различной микроструктурой. Разработка новых материалов защитных покрытий, способов и процессов их нанесения в направлении создания многослойных композиций, обладающих более высокими эксплуатационными свойствами по сравнению с монослойными, отвечающим современным требованиям по защите поверхности лопаток компрессора ГТД, работающих в условиях повышенных температур, знакопеременных нагрузок, усталостных и термоусталостных нагрузок, является важной задачей авиадвигателестроения. Особенно остро стоит вопрос о защите поверхности лопаток компрессора ГТД при работе в условиях повышенных температур, когда рабочая температура может достигать 600 - 800С (для последних ступеней компрессора), и для лопаток турбины при температурах свыше 1000С. Для решения этой проблемы, наряду с совершенствованием составов жаростойких сталей, титановых и жаропрочных сплавов, разрабатываются и технологии защиты поверхности лопаток ГТД от агрессивного воздействия.
Перспективным направлением в создании материалов для защиты лопаток компрессора ГТД являются многослойные покрытия, состоящие из периодически расположенных слоев из различных материалов нанометровой толщины и количеством слоев до нескольких десятков, обладающие высокими механическими и эксплуатационными свойствами. Благодаря особенностям строения, большому количеству слоев и их толщине в нанометровом диапазоне, покрытия с субмикрокристаллической структурой и наноструктурированные покрытия сочетают в себе качества слоистых систем и специфические свойства нанообъектов
Кроме того, в подавляющем большинстве случаев разрушение деталей авиационных двигателей начинается с поверхности, в тонком приповерхностном слое, поэтому чрезвычайно важно и экономически более целесообразно разработать технологии получения защитных и упрочняющих покрытий, свойства которых по прочности и пластичности недостижимы для традиционных моно- и поликристаллических структур.
В этой связи особый интерес представляют карбиды, силициды и карбосилициды металлов, обладающие уникальным сочетанием высокой твердости, коррозионной стойкости и термодинамической устойчивости. Однако получение таких фаз традиционными методами связано с высокой температурой и продолжительностью процесса их синтеза.
На основе анализа литературных источников и предварительных исследований было доказано, что при ионно-плазменном осаждении веществ в вакууме при их одновременной ионной бомбардировке возможно получение покрытия с субмикрокристаллической структурой (СМК), обладающего повышенными эксплуатационными свойствами. При использовании предлагаемого метода синтеза возможно получение принципиально нового многослойного покрытия системы Ti-C-Si, содержащего в своем составе фазы сложных карбидов и карбосилицидов титана (патент 2272088 РФ от 20.03.2006).
Лопатки турбины ГТД работают в сложных эксплуатационных условиях: аэродинамические, коррозионно-эрозионные и термические воздействия; изгибающие и контактные напряжения при сложнодеформированном состоянии и износе поверхностных слоев. Эти отрицательные воздействия в ряде случаев могут привести к разрушениям лопаток ГТД.
Современные никелевые жаропрочные сплавы, благодаря высоким механическим свойствам при температуре 950 - 1100 С, широко используются для изготовления лопаток турбин ГТД. Для никелевых жаропрочных сплавов наиболее приемлемыми являются покрытия на основе алюминия. Лопатки газовых турбин современных двигателей не могут эксплуатироваться в течение заданного ресурса без надежных высоко-температурных покрытий.
Покрытия, применяемые в настоящее время на деталях ГТД, имеют целый ряд дефектов макро- и микроуровня: межзеренные пустоты и каналы, макро- и микронапряжения, неоднородность зерен и их ориентация, неоднородность прочности сцепления между совокупностью кристаллов с основой, избыточные концентрации дефектов структуры (вакансии, дислокации). Для конденсированных вакуумных покрытий лопаток турбины характерными технологическими и эксплуатационными дефектами являются сколы, растрескивания и отслоения.
Несмотря на то, что уже разработан целый ряд покрытий, успешно внедренных в практику авиадвигателестроения (например, системы Ме-Сг-А1-Y), проблема защиты деталей от высокотемпературных воздействий остается актуальной как с точки зрения создания новых защитных композиций, так и технологического их освоения.
Актуальность исследований подтверждается тем, что они включены в Государственную научно-техническую программу академии наук Республики Башкортостан. Это проекты: «Композиционные конденсированные ионно-плазменные покрытия для изделий машиностроения», «Исследование физико-химических закономерностей взаимодействия электронных, ионных и плазменных потоков с поверхностью конструкционных материалов, моделирование и разработка проектов электронно-ионно-плазменных технологий», «Многофункциональные ионно-плазменные покрытия для изделий межотраслевого назначения».
Исследования выполнялись также по грантам: «Ведущие научные школы Российской Федерации», «Исследование и разработка ионно-плазменной технологии создания многофункциональных слоевых покрытий на основе композиции углерод-металл и алюминий - металл» (НШ-294.2003.8),
«Технология ионно-имплантационного модифицирования и ионно-плазменного осаждения покрытий применительно к изделиям новых поколений» (№ 00-15-99053), «Создание на базе вакуумной ионно-плазменной конденсации веществ нанотехнологии модифицирования поверхности деталей машин», «Нанотехнологии получения поверхностей с наноструктурированными покрытиями на деталях энергетических установок на основе высокотемпературного структурно-фазового модифицирования сильноточными разрядами в вакууме», «Инновационные технологии и оборудование для высокотемпературного модифицирования и нанесения защитных наноструктурированных покрытий в вакууме на детали энергетических установок» и др.
Цель работы. Создание новых материалов и технологий получения вакуумных ионно-плазменных покрытий с субмикрокристаллической структурой для защиты поверхности лопаток компрессора и турбины ГТД.
В соответствии с целью в работе были поставлены следующие задачи:
-
Разработать новые материалы и технологии получения многослойных ионно-плазменных покрытий с субмикрокристаллической структурой (СМК) с принципиально новыми свойствами на лопатках ГТД в условиях модифицирования поверхности ионным потоком.
-
Экспериментально исследовать химический, фазовый состав и свойства новых материалов вакуумных ионно-плазменных покрытий с СМК структурой, используемых для защиты поверхности лопаток ГТД.
-
Разработать способ синтеза покрытий с СМК структурой в условиях модификации поверхности разрядом на основе эффекта полого катода (ЭПК).
-
Теоретически и экспериментально исследовать процессы нанесения покрытий в условиях модифицирования поверхности ионным потоком.
-
Исследовать эксплуатационные свойства лопаток ГТД с вакуумными ионно-плазменными покрытиями с СМК структурой.
-
Разработать технологии нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий с СМК структурой на лопатки ГТД.
Научная новизна
-
Впервые разработан метод синтеза нового материала многослойного ионно-плазменного покрытия системы Ti-C-Si, основанный на осаждении нанометровых слоев Ti и C-Si из плазмы, генерируемой титановым и графитокремниевым катодами в условии модифицирования поверхности ионным потоком и их последующей термической обработкой.
-
Установлено, что при нанесении покрытий системы Ti-C-Si методом осаждения нанометровых слоев в условиях плазменного ассистирования образуются сложные карбиды (Ti66C, Ti8C5 и др.) и карбосилициды титана (Ti3SiC2, Ti5Si3C). Установлено, что повышение эксплуатационных свойств лопаток компрессора ГТД (коррозионная и эрозионная стойкость, усталостная прочность и т.д.) связано с образованием в покрытии СМК структуры и наличием в поверхностном слое синтезированного покрытия сложных карбидов и карбосилицидов титана.
3. Установлено, что система, состоящая из специального экрана в виде сетки и обрабатываемой поверхности детали, находящиеся под отрицательным
потенциалом, в которой возникает эффект полого катода (ЭПК), проявляющийся в том, что формируется плазма с повышенной концентрацией заряженных частиц, генерируемых быстрыми осциллирующими электронами, эмиттируемыми с поверхности катодной полости, приводящая к интенсивной бомбардировке обрабатываемой детали, может быть использована для модифицирования поверхности потоком ионов с целью обеспечения новых свойств поверхности и покрытия.
-
Впервые установлены зависимости фазового состава, коррозионной и эрозионной стойкости, термо и теплостойкости, усталостной прочности нового материала покрытий систем Ti-C-Si и Ti-TiN от синергетического эффекта уменьшения толщины слоев многослойного покрытия до нанометровых значений (30 …100 нм) и проведения процесса нанесения покрытий в условиях дополнительной ионной бомбардировки.
-
Установлено, что синергетический эффект уменьшения толщины слоев многослойного покрытия до нанометровых значений (30…100 нм) и проведение процесса нанесения нового материала покрытий системы Ti-C-Si при модифицировании поверхности в условиях дополнительной ионной бомбардировки с образованием СМК структуры приводит к повышению коррозионной стойкости (на 20 – 35 %), термической стабильности (на 25 – 30 %). При осаждении многослойных покрытий системы Ti-TiN c СМК структурой установлено, что синергетический эффект приводит к повышению коррозионной стойкости (на 30 – 35 %), термической стабильности (на 10 – 25 %), эрозионной стойкости в 1,9 раза и предела выносливости (на 25 – 30%).
-
Установлено, что при нанесении жаростойкого покрытия ВСДП-11 на сплав ЖС6У с использованием в качестве дополнительной ионной бомбардировки разряд на основе ЭПК увеличивается на 21% долговечность и на 30 % жаростойкость защищаемого сплава.
Практическая ценность работы
-
Разработан способ вакуумного ионно-плазменного нанесения многослойных композитов, содержащих сложные карбиды (патент 2272088 РФ от 20.03.2006).
-
Разработан способ вакуумно-плазменного нанесения покрытий, включающий осаждение покрытия в инертном газе с помощью системы, состоящей из обрабатываемой детали и экрана в виде сетки, отличающийся тем, что для получения покрытий с нанокристаллической структурой осаждение осуществляют в сочетании с модифицированием поверхности ионным потоком при давлении инертного газа 10-2 - 10-1 Па. (патент 2145362 РФ от 10.02.2000).
-
Разработана технология нанесения и термической обработки нового материала вакуумных ионно-плазменных многослойных покрытий системы TiC-Si применительно к лопаткам компрессора второй ступени ГТД.
-
Впервые экспериментально установлен диапазон температур термической обработки лопаток компрессора ГТД с новым материалом многослойных покрытий системы Ti-C-Si, в котором наблюдается повышение микротвердости, коррозионной стойкости и теплостойкости, что объясняется
увеличением содержания карбидов и карбосилицидов титана в покрытии и сохранением многослойной композиции.
-
Разработана технология нанесения многослойных вакуумных ионно-плазменных покрытий Ti-TiN на лопатки компрессора второй ступени КВД. На основе данной технологии разработан технологический процесс осаждения покрытий, который рекомендован к внедрению на ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение».
-
Разработана технология нанесения жаростойкого покрытия ВСДП-11 на сплав ЖС6У с использованием разряда на основе ЭПК, позволяющая увеличить долговечность и жаростойкость лопаток первой ступени турбины ГТД и на ее основе разработан технологический процесс осаждения покрытий, который рекомендован к внедрению на ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение».
-
Разработанные в диссертации результаты используются для подготовки студентов по специальностям 150206 «Машины и технологии высокоэффективных процессов обработки», 151001 «Технология машиностроения», по направлению подготовки бакалавра 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», 150700 «Машиностроение».
Достоверность полученных результатов обеспечивается
сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, в том числе с результатами исследований других авторов, а также оценкой погрешности эксперимента статистическими методами и успешной реализации разработки технологии в производстве, применением отработанных методов и технических средств.
Основные научные положения и результаты, полученные лично автором и выносимые на защиту
-
Новый материал покрытия, полученный методом синтеза системы Ti-C-Si, основанным на осаждении нанометровых слоев Ті и C-Si из плазмы, генерируемой титановым и графитокремниевым катодами в условии модифицирования поверхности ионным потоком для лопаток компрессора ГТД, работающих в диапазоне температур от 500 до 700С.
-
Способ синтеза нового материала покрытия Ti-C-Si с субмикрокристаллической структурой, основанный на осаждении нанометровых слоев Ті и C-Si из плазмы, генерируемой титановым и графитокремниевым катодами в условии модифицирования поверхности дополнительной ионной бомбардировки, позволяющий получать в поверхностном слое лопаток компрессора ГТД сложные карбиды и карбосилициды титана.
-
Способ модифицирования поверхности лопаток компрессора ГТД, включающий очистку и активацию поверхности плазмой повышенной плотности, создаваемой с помощью системы, реализующей эффект полого катода (ЭПК).
-
Технология нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий с субмикрокристаллической структурой на детали ГТД в условиях плазменного ассистирования.
5. Технология нанесения жаростойкого покрытия ВСДП-11 на лопатки турбины ГТД с использованием разряда на основе ЭПК для модифицирования поверхности.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ряде конференций, симпозиумов, семинаров: Международной НТК "Вакуумная наука и техника" (Москва, 1994); III конференция "Модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск, 1994); Международной НТК “Отделочно-упрочняющая технология в машиностроении” (Минск, 1994); Международной НТК "Напыление и покрытия-95" (Санкт-Петербург, 1995); 4-ой Международной конференции (Харьков, Рыбачье, 1995); 4-ой Всероссийской конференции “Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц” (Томск, 1996); Международной НТК “Проблемы и перспективы развития двигателестроения в поволжском регионе” (Самара, 1997); V международной конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск, 2002, 2012); Международной конференции «Материаловедение и современные технологии», (Магнитогорск, 2003); Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», (Самара, 2003); XII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Судак, 2005); Харьковской нанотехнологической ассамблеи-2008, (Харьков, 2008); XVI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника», (Судак, 2009); XVII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Судак, 2010); XVIII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Судак, 2011 - 2013); «Вакуумная техника и технология» (Санкт Петербург, 2012); Межнациональном совещании “Радиационная физика твердого тела” (Севастополь, 1998); Международном совещании «Радиационная физика твердого тела», (Севастополь, 2004); XI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника», (Судак, 2004); Международном совещании «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» (Белгород, 2009); региональных научно-технических конференциях, Уфа, 1994 - 2012 г.г.
В законченном виде диссертация обсуждалась в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», ФГБОУ ВПО «Камская Государственная Инженерно-Экономическая Академия», в Самарском государственном аэрокосмическом университете им. академика СП. Королева (национальный исследовательский университет), в Московском авиационном институте (национальный исследовательский институт).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 69 работ в виде научных статей, трудов, материалов, докладов, в том числе в 13 публикациях в центральных рецензированных журналах, рекомендованных ВАК, в 1 монографии, в 2 учебных пособиях с грифом УМО высших учебных
заведений РФ по образованию в области вакуумной ионно-плазменной технологии. Получены 7 патентов РФ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 323 страницах машинописного текста, состоит из введения, 7 глав, основных выводов, приложения, содержит 34 таблицы, 144 рисунка и список литературы из 262 наименований.
Анализ методов нанесения покрытий на лопатки ГТД
В зависимости от особенностей современного самолета, условий его использования к авиадвигателям предъявляются общие технические требования. Такие как, обеспечение необходимой тяги (мощности) при максимально возможном значении тяги (мощности). А также требования к удельной лобовой тяги, когда удельный расход топлива и массы минимально возможный. При этом двигатель обладать следующими показателями: надежностью, ремонтопригодностью, быть высокотехнологичным при эксплуатации и производстве, а также обеспечивать ресурс [93, 127, 134, 208, 227,246].
Зачастую выполнение вышеперечисленных требований не всегда представляется возможным. Тогда возникает необходимость при проектировании авиадвигателя для конкретного аппарата в принятии компромиссных решений. Так, например, для истребителей-перехватчиков, с небольшой дальностью полета, обладающими скоростными и высотными характеристиками определяющую роль несет удельная масса двигателя. Она может быть снижена за счет повышения температуры газа перед турбиной. Негативным моментом может являться увеличение удельного расхода топлива и снижение ресурса. Поэтому при проектировании двигателя выбирают параметры, максимально удовлетворяющие наиболее важные для летательного аппарата требования [93, 127, 134, 208, 227, 246].
Современные авиационные двигатели должны соответствовать высоким требованиям по надежности, минимальной массе, экономичности и ресурсу. В течение ресурса двигатель должен удовлетворять требованиям безопасности полетов, сохранять заданные эксплуатационные характеристики (тягу, удельный расход топлива и др) [104]. Эти задачи успешно решаются путем совершенствования конструкции, улучшения аэродинамических и термодинамических характеристик двигателей, а также благодаря использованию новых, более эффективных материалов, технологий изготовления деталей и узлов, поверхностного упрочнения и нанесения покрытий [28, 91, 93, 127, 184, 212].
Надежность авиационной техники - свойство летательного аппарата в целом и (или) его частей (конструкции, бортового оборудования, двигателей и др.) выполнять заданные функции, сохраняя значения эксплуатационных показателей в установленных пределах, соответствующих режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки [151, 263].
Надежность, являясь комплексным свойством, в зависимости от назначения и условий применения изделий авиационной техники может включать свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости в отдельности или при определённом их сочетании. Изделия авиационной техники являются сложными системами, и уровень их надежности зависит от уровня надежности составных частей.
Надежность авиационного газотурбинного двигателя в значительной степени определяется надежностью работы его узлов и агрегатов -компрессоров, турбин, камер сгорания. При этом повышенные требования по прочности и ресурсу предъявляются ко всем высоконагруженным элементам конструкции двигателя: лопаткам компрессора, лопаткам турбины, дискам и др. [151, 263]. Решение проблемы повышения прочности и их ресурса во многом строится на применении новых технологий: как технологий получения изделий, так и защиты поверхности получаемых изделий.
Типичным представителем газотурбинных двигателей является ГТД АЛ-31Ф (рисунок 1.1), устанавливаемый на самолетах семейства «СУ». Двигатель АЛ-31Ф двухконтурный, двухвальный со смешением потоков внутреннего и наружных контуров за турбиной, с общей для двух контуров форсажной камерой и регулируемым сверхзвуковым всережимным реактивным соплом.
Двигатель развивает стендовую тягу 12500 кгс на режиме "полный форсаж" и 7600 кгс - на режиме "максимал". На истребителе Су-27К возможно использование так называемого особого режима работы двигателя (ОР), на котором тяга кратковременно повышается до 12800 - 13000 кгс. Удельный расход топлива на максимальном режиме работы 0.75 кг/(кгс.ч), на форсаже - 1.92 кг/(кгс.ч), минимальный крейсерский удельный расход топлива 0.67 кг/(кгс.ч). Высоконапорный двухкаскадный компрессор обеспечивает 23-кратное сжатие поступающего воздуха при его расходе через двигатель до 110 кг/с и степени двухконтурности около 0.59. Температура газов перед турбиной достигает 1665 К. Габаритная длина двигателя 4950 мм, диаметр входа 905 мм, максимальный диаметр 1180 мм. Сухая масса двигателя 1530 кг, удельный вес двигателя 0.12. Ресурс двигателя до первого ремонта составляет 1000 ч, назначенный ресурс - 1500 ч.
Учитывая высокую стоимость и длительный срок создания нового двигателя, на первый план выходят задачи увеличения его ресурса, повышения его надежности и возможности на базе существующих моделей двигателей создать их модификации с более высокими эксплуатационными характеристиками.
Безаварийная эксплуатация ГТД, увеличение ресурса и надежности невозможны без современных методов защиты поверхности деталей от агрессивного воздействия. С одной стороны, детали современных газотурбинных двигателей изготавливаются ажурными, тонкостенными и пустотелыми, что обуславливается необходимостью снижения веса, с другой стороны, они работают в условиях высоких и быстроменяющихся температур, агрессивных сред; одновременно материал подвержен воздействию высоких статистических и динамических напряжений, амплитуда и частота которых изменяются в широких пределах. Частая и быстрая смена температур (тепловой удар) приводит к появлению различного рода дефектов (разрушение материала вследствие потери жаропрочности, накопление дефектов структуры и развития трещин усталости, коррозии, термоусталость, разрушение при контактном взаимодействии деталей), в подавляющем большинстве случаев наблюдаемых в тонком приповерхностном слое, и, которые являются первопричиной снижения общей прочности и разрушения деталей в эксплуатации.
Кроме того, долговечность и ресурс работы двигателя зависит от совершенства его конструкции, обеспечивающей надежную работу основных узлов и агрегатов при естественном износе и изменении свойств материалов и покрытий.
В практически любом газотурбинном двигателе все его основные части - компрессор, камера сгорания, турбина и реактивное сопло - представляют единую цепь с последовательно соединенными звеньями. В этой последовательной цепи при отказе одного из звеньев цепи нарушается работоспособность изделия в целом, а вероятность его безотказной работы определяется как произведение вероятностей безотказной работы всех входящих в состав элементов [93, 127, 184, 227].
Надежность газотурбинных двигателей в значительной степени зависит от надежности работы лопаток компрессора и турбины, поскольку они являются наиболее нагруженными деталями. Лопатки подвергаются действию статистических, динамических и циклических нагрузок. На поверхности хвостовиков лопаток, бандажных и антивибрационных полок создаются высокие контактные напряжения [93, 134].
Компрессор газотурбинного двигателя АЛ-31Ф осевой, двухкаскадный имеет 13 ступеней. В его состав входит четырехступенчатый компрессор низкого давления (КНД) (рисунок 1.2) и девятиступенчатый компрессор высокого давления (КВД) (рисунок 1.3) с тремя регулируемыми направляющими аппаратами (входным и первых двух ступеней). Рабочие лопатки первых трех ступеней КНД имеют антивибрационные полки [16].
Компрессор авиационного двигателя служит для дальнейшего сжатия воздушного потока (накопления потенциальной энергии потока) и подачи его в камеру сгорания с наименьшими потерями давления.
Методика исследования адгезионной прочности вакуумных ионно-плазменных покрытий
При толщине материала от 1 до 100 нм его поверхностные свойства начинают доминировать над объёмными. При этом свойства материала зависят не столько химического состава, сколько от формы и размеров наноструктур и во многих случаях превосходят характеристики монолитных материалов. Объясняется это особенностями структуры сверхтонких плёнок и более высокой внутренней энергией [16, 76, 116, 119, 181, 241, 262].
Рост слоя происходит уже после возникновения зародышей за счет их увеличения и слияния с образованием сплошной пленки [17, 40, 233].
По размерной шкале материалы, имеющие размер зерна от 0,3 до 0,04 мкм, относятся к субмикрокристаллическим [26, 29, 179, 180, 183], тогда как под наноматериалами (нанокристаллическими, нанокомпозитными, нанофазными и т.д.) принято понимать материалы, структурные элементы (зерна, кристаллиты, волокна, слои, поры) которых не превышают нанотехнологической границы - 100 нм, по крайней мере, в одном пространственном направлении.
Элементарные процессы возникающие при образовании покрытий зависят от условий формирования и режимов их нанесения и технологии их получения. Кинетика роста покрытий, их структура и свойства зависят от следующих основных параметров [229, 244]: 1. Давления газов (остаточных) в вакуумной камере. 2. Плотности потока j падающих на поверхность атомов. При возрастании плотности потока, как правило, возникает более интенсивное зародышеобразование и повышается сплошность покрытия, увеличивается его адгезия и коррозионная стойкость. 3. Температуры поверхности обрабатываемой детали.
При повышении температуры происходит формирование покрытия с более равновесной структурой, но при прохождении такого процесса снижается его сплошность и скорость нанесения. Варьирование температурой покрытия приводит к полиморфным превращениям, которые, в общем случае, оказывают довольно сложное влияние на структуру и его свойства. 4. Энергии падающих атомов и степени ионизации.
Повышение энергии падающих атомов и степени ионизации до предельного значения приводит к повышению качества синтезируемого покрытия. При больших значениях энергии атомов, взаимодействующих с поверхностью и участвующих в процессах роста пленки, возможно образование в ней структурных дефектов и даже, при определенных режимах, травление растущего покрытия.
Процесс конденсации и структура образующейся пленки существенно зависят от кинетических параметров конденсации - температуры подложки, плотности падающего потока, определяющей концентрацию адсорбированных атомов, характер взаимодействия осаждаемых атомов с подложкой, ее потенциальным рельефом и т.п.
Свойства покрытий с субмелкокристаллической структурой (СМК) являются производными их морфологии, атомной структуры, кристалличности и степени ее совершенства. Процесс формирования покрытий является сложным процессом, включающим процессы: адсорбция, образование зародышей новой фазы, их рост и т.д.
Анализ современного состояния области осаждения защитных покрытий и развития композиционных материалов на основе тонких пленок показал, что наблюдается снижение толщины слоев и увеличение их количества. То есть создаются предпосылки для создания так называемых наноматериалов. Интерес к ним обусловлен возможностью модификации или даже принципиального изменения свойств известных материалов, новыми возможностями, которые открывает нанотехнология в создании многослойных покрытий нанометровой толщины [12, 15, 63, 76, 85, 116, 175].
На основании анализа исследований [63, 76, 85, 116, 175] можно заметить, что в сверхтонких слоях толщиной менее нескольких нанометров формируется аморфная фаза. По мере увеличения толщины она превращается в кристаллическую и при толщине около 30 нм образуется ультрадисперсная поликристаллическая структура. При дальнейшем увеличении толщины нанослоев и многослойного покрытия происходит увеличение размеров зёрен и появление преимущественной ориентировки структуры.
Важной характеристикой субмикрокристаллических и нано-структурных материалов являются их механические свойства. Систематизируя данные [16, 76, 84, 116, 119, 175, 181, 182, 241, 262], можно заключить, что при разных схемах механических испытаний (растяжение, сжатие, изгиб, кручение) исследованные субмикрокристаллические и наноструктурные металлы, их сплавы, соединения и композиты демонстрируют значительно более высокие (в несколько раз) значения предела текучести, заметно менее выраженное деформационное упрочнение на стадии пластической деформации и, как следствие, меньший прирост предела прочности. Данные обстоятельства, как и нарушения выполнения в соответствии с соотношением Холла-Петча. где ао - внутреннее напряжение, препятствующее движению дислокаций; к - коэффициент связанный с проницаемостью границ зерна движению дислокаций; D - размер зерна. Это обусловлено, очевидно, "включением" в субмикрокристаллических и наноструктурных материалах нового механизма деформации в виде зернограничного некристаллографического скольжения уже при относительно низких температурах конкурирующего с действием стандартного кристаллографического внутризеренного дислокационного скольжения и двойникования [181, 182].
Классификация многослойных покрытий приведена на рисунок 1.27. При синтезе многослойных вакуумных ионно-плазменных покрытий осаждение каждого последующего слоя ограничивает рост предыдущего, что способствует появлению мелкозернистой или наноструктуры.
С увеличением количества межфазных границ и нанослоёв отмечеется рост микротвёрдости ( 10 нм). При толщине синтезированного покрытия 5 -7 мкм, микротвёрдость увеличилась в 1,5...2,0 раза для карбидов хрома и титана используемых в качестве многослойных покрытий и даже выше по сравнению с однослойными покрытиями [14, 84, 150, 181].
Процесс формирования многослойного покрытия системы TiiN с субмикрокристаллической структурой
На современном этапе внимание широкого круга специалистов привлекают нитриды различных материалов. Синтез этих соединений, изучение структуры и разнообразных свойств одно из направлений работы в сфере получения защитных покрытий. Нитриды обладают высокой температурой плавления, уникальными механическими и физическими свойствами (высокая твердость, абразивная способность, тугоплавкость, при высоких температурах - пластичность и др.) [5, 59, 100, 125, 144, 147, 188, 196].
Высокая твердость является одной из наиболее важным свойств нитридов. Получить на поверхности соединения, которые не могут быть получены традиционными методами, или получение которых достаточно трудоемко, возможно применением метода вакуумного ионно-плазменного получения покрытий. При этом существует возможность управлять параметрами потока, а, следовательно, управлять свойствами конденсата и получать пленки и покрытия с повышенными эксплуатационными характеристиками.
В настоящее время широкое применение нашли методы ВИП осаждения покрытий, использующие ЭДИ для синтезирования нитридных. Применение плазмогенератора способствует ускорению диффузионных процессов, придавая значительное дополнительное ускорение ионам плазмообразующего газа, при проведении процесса осаждении покрытий.
Совокупностью технологических параметров напыления (давление газа, опорное напряжение, ток дуги, температура подложки) определяет качество и надежность ВИП покрытий.
Процесс осаждения многослойного покрытия с субмикрокристаллической структурой, подробно описанный в разделе 3.1 главы 3, может быть реализован для системы TiiN. Схема процесса получения многослойного покрытия системы TiiN представлена на рисунке 3.10. Процесс получения покрытия реализуется на модернизированной установке ННВ 6.6 - И1. При описании модели синтеза и роста многослойного покрытия композиции Ті - TiNвозможно разграничить этапы. Первый этап процесса - предварительная ионная очистка и активация центров адсорбции на обрабатываемой поверхности несамостоятельным сильноточным диффузионным разрядом - производится с помощью плазменного источника «ПИНК» в среде инертного газа аргона при давлении 10" Па, отрицательном смещении (900 - 1100 В) на подложке, токе разряда 30 - 40А, продолжительность обработки - 1 ...2 минуты. Окончание до прекращения микродуг. Это позволяет избежать внедрения ионов низкотемпературной плазмы при проведении модифицирования поверхности и при проведении предварительной очистки, что позволяет значительно снизить температуру предварительного нагрева до 100 - 200 С и что особенно важно исключить привязывание микродуг.
На втором этапе формирования многослойного покрытия происходит взаимодействие частиц из ускоренного плазменного потока ЭДИ с Ті катодом с подложкой, миграция атомов и ионов титана по поверхности, ионное перемешивание частиц адсорбированных на поверхности. Формируется Ті слой. В качестве катода используется технически чистый титан марки ВТ-1.0.
На третьем этапе в вакуумную камеру подается рабочий газ азот (N2) и происходит формирование слоя покрытия. На поверхности образуется TiNy.
На четвертом этапе количество рабочего газа увеличивают для формирования на поверхности TiN, затем с помощью системы напуска рабочего газа происходит снижение подачи азота в вакуумную камеру и на поверхности происходит осаждение слоя покрытия TiNy либо чистого Ті, в зависимости от получаемого состава покрытия, либо осаждения Ті из плазмы, генерируемой электродуговым испарителем, осуществляется в условия плазменного ассистирования.
Для получения заданного количества слоев третий и четвертый этапы повторяются. 3.4 Математическая модель процесса осаждения ВИП покрытий с СМК структурой с двух ЭДИ Для расчета суммарной толщины синтезированного покрытия, а также для установления величины и размер его слоев была разработана математическая модель процесса нанесения многослойных ВИП покрытий композиции Ti-C-Si с двух электродуговых испарителей.
Математическая модель для расчета скорости осаждения покрытий состояла из уравнений связывающих микропараметры процесса и скорость его роста, причем в разработанной модели учитывается направление плазменного потока с двух ЭДИ, расположение детали относительно них, в отличие моделей которые были рассмотрены ранее [38, 40, 44].
В работах [38, 40, 44] рассматривается математические модели, позволяющие связать параметры покрытия, его толщину h, равномерность осаждения Ah, химический состав их)параметры технологического процесса (такие как, /д, Р, Un, і?катода, положение детали относительно катода). Длина свободного пробега ионов металла, может служить граничными условиями. Она намного больше расстояния от мишени до катода. Такое приближение для металлов и их сплавов при давлении Р 4-10" Па и расстоянии от катода г 200 мм справедливо. Если поверхность обрабатываемой детали расположена параллельно плоскости катода и неподвижна, тогда выполняется условие Р = ф.
Получение покрытий с СМК структурой осаждением с модифицированием поверхности разрядом на основе эффекта полого катода
Проведенные исследования термической стабильности покрытий системы Ti-C-Si на материалах ВТ6, ЭП718 ИД, ЭИ961-Ш (Тна1рева= 400 - 800 С, t выдержки - 4, 8, 16 часов) показали, что покрытие с СМК структурой обладает более высокой термостойкостью по сравнению с многослойным покрытием. Так микротвердость покрытия с СМК структурой после выдержки при Т = 600 С в течение 16 часов уменьшается на 10 %, в то время как микротвердость многослойного покрытия уменьшается на 25 - 30 % (рисунок 6.5).
После проведения отжига при температуре 200С наибольшего значения микротвердости поверхности достигает образец с покрытием с СМК структурой, что может быть объяснено завершением формирования карбидов и карбосилицидов титана в процессе термической обработки.
В реальных условиях эксплуатации при запуске газотурбинного двигателя происходит циклическое изменение температуры. При процессе изменения температуры при постоянном напряжении основной причиной разрушения может стать термическая усталость. При осаждении ВИП покрытий на основе карбидов металлов возникают высокие остаточные напряжения сжатия. В результате чего при воздействии циклически изменяющейся температуры детали с покрытиями будут подвержены термической усталости.
Для многослойного покрытия композиции Ti-C-Si экспериментальные данные по влиянию толщины слоев его составляющих, а также влияние последующей термической обработки на термостойкость, практически отсутствуют. Исследования проводятся по малоцикловому нагружению в большинстве случаев, при котором максимальному напряжению сжатия -ґтіп, а минимальному напряжению - tmax. Отличием механической усталости от термической, является уровень возникающих напряжений, что для всего комплекса "покрытие-подложка" при термоциклировании определяется упругопластическими свойствами. Причем, как показывают многочисленные эксперименты, сначала разрушается покрытие при термоциклировании.
Проведение специальных испытаний вызвали необходимость практического изучения процессов предотвращения разрушения покрытий от термической усталости. Качественные сравнительные испытания, заключающиеся в многократном нагреве и охлаждении до разрушения покрытия - основа методики проведения исследования. Исследование позволяет предположить, что вследствие термостойкости покрытия все факторы, уменьшающие остаточные напряжения в покрытиях должны увеличиваться:
Если не будут ухудшаться другие эксплуатационные свойства покрытий, то будет превалировать положительное влияние этих факторов.
Исследования многослойных покрытий системы Ti-C-Si на термоциклирование проводились для оценки их работоспособности. Причем, испытания близкие к реальным условиям эксплуатации. Образцы были подвержены термоциклированию путем многократного нагрева до температуры Т= 600С в печи, затем они выдерживались и охлаждались воздухе в течение 5 минут.
Результаты экспериментов по термоциклированию образцов с многослойными покрытиями системы Ti-C-Si представлены в таблице 6.2. Количество циклов до разрушения при термоциклировании Вид покрытия Многослойное покрытие Покрытие с СМК структурой Анализируя представленные результаты экспериментов, можно установить, что покрытие с СМК структурой обладает большей термостойкостью, чем многослойное покрытие. Это может быть объяснено меньшими остаточными напряжениями, приводящими к повышению упругопластических свойств для "покрытие-подложка", которые влияют при циклическом изменении температуры.
Улучшенными эксплуатационными свойствами обладает покрытие с СМК структурой благодаря тому, что чередуются тонкие слои переменной твердости и различного фазового состава. Они эффективно тормозят развитие трещины, тем самым повышая трещиностойкость и вязкость «покрытие - основной материал».
Результаты исследования микротвердости образцов с многослойными ВИП покрытиями системы Ti-C-Si
Измерение микротвердости образцов проводилось на приборе ПМТ-3. Для измерения в качестве индентора использовалась алмазная пирамида с углом между гранями 136. Нагрузка на индентор от 1 до 10 г. Получить сопоставимые результаты в различных сериях измерений помогает то, что время нагружения, которое соответствует времени 15 с и время выдержки под нагрузкой (15 с), не варьировались
Если отпечатки малы от индентора, погрешность измерения твердости может достигать 10 - 20 %. Для достаточно надежного среднего результата число измерений было увеличено до 7. В разных точках образца при оценке среднего арифметического значения микротвердости испытания показывали одинаковые результаты.
