WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Зайцев Николай Агафангелович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ЖАРОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЛОПАТОК ГТД НА ОСНОВЕ ОЦЕНКИ ИХ СТРУКТУРНОЙ И ФАЗОВОЙ СТАБИЛЬНОСТИ

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск – 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Шатульский Александр Анатольевич

Официальные оппоненты:

Белкин Павел Николаевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Костромской государственный университет имени Н. А.

Некрасова», заведующий кафедрой «Общей физики»;

Самойленко Василий Михайлович, доктор технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет гражданской авиации», заведующий кафедрой «Авиатопливообеспечения и ремонта летательных аппаратов».

Ведущая организация: «Научно – исследовательский институт технологии и организации производства двигателей (НИИД)» филиал федерального государственного унитарного предприятия «Научно – производственный центр газотурбостроения «Салют».

Защита состоится 23 марта 2012 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.210.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск Ярославской области, ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» Автореферат разослан 21 февраля 2012 г.

Ученый секретарь Каляева Надежда Анатольевна диссертационного совета

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 K 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 ренийсодержащих жаропрочных никелевых сплавов проблематично из-за отсутствия сетки карбидов MeC на границе сплав - покрытие, приводящего при температурах эксплуатации к увеличению диффузионного проникновения атомов Al и Cr 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, Ta, 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 ренийсодержащих 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:

1. Провести оценку изменения концентрации легирующих элементов в различных сечениях материала - основы, барьерного слоя и жаростойкого покрытия, происходящего вследствие диффузионного массопереноса при эксплуатации изделий.

2. Разработать методику расчета коэффициентов диффузии в многокомпонентных металлических системах, необходимых для определения концентрации легирующих элементов в сечениях защищаемого изделия и жаростойкого покрытия.

3. 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.

4. Выполнить оценку структурной и фазовой стабильности в различных сечениях жаростойких композиций в диапазоне температур 850 – 1250оС.

5. 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 элементов 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:

1. 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.

2. 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.

3. Регрессионные модели для определения количественных характеристик структуры, фазового состава и эксплуатационных свойств монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов с использованием информационной технологии конфлюэнтного анализа.

4. 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 – Co – Cr – Al – W – Ta – 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 микрорентгеноспектрального анализа.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением положений теории диффузии, физического металловедения, использованием современных статистических методов обработки экспериментальных данных 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 приложения. Библиографический список содержит 97 литературных источников.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определена основная проблематика защиты монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов от высокотемпературной коррозии и определен перечень задач, решение которых необходимо для создания расчетного метода конструирования многокомпонентных жаростойких покрытий.

В первой главе проанализированы и систематизированы данные о российских и зарубежных литейных жаропрочных никелевых сплавах, промышленных технологиях производства отливок, а также сформулированы основные принципы легирования, обеспечивающие повышение жаропрочности и жаростойкости сплавов. Проведенный анализ позволил установить, что для обеспечения заданных жаропрочных свойств высоконагруженных деталей ГТД целесообразно использовать монокристаллические никелевые сплавы, а защиту поверхности от высокотемпературной коррозии обеспечивать применением специальных многокомпонентных покрытий, которые должны не ухудшать механические свойства материала, сопротивление термической усталости и выносливость, вследствие диффузионного проникновения элементов вглубь изделия. Покрытие должно быть связано с основой в течение всего срока эксплуатации, обладать высоким сопротивлением термоусталости, иметь достаточный уровень пластичности и быть ремонтопригодным.

Проведенный анализ имеющихся промышленных технологий нанесения жаростойких покрытий показал, что в настоящее время ни одна из разработанных систем покрытие - основной металл не удовлетворяет всем перечисленным требованиям, отсутствуют надежные количественные методы прогноза протекания структурных и фазовых превращений в материале основы и покрытия в условиях эксплуатации.

Поэтому при внедрении новых жаропрочных сплавов и применении к ним «готовых» средств защиты зачастую имеет место «провал» эксплуатационных характеристик изделия ввиду «несовместимости» химического состава сплава и покрытия. Такое явление, как правило, вызвано появлением в структуре защищаемого и защитного материалов нежелательных избыточных ТПУ - фаз, образующихся в процессе высокотемпературной эксплуатации изделий.

На основании проведенного анализа были сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе предложена оригинальная математическая модель для комплексного определения коэффициентов диффузии легирующих элементов в многокомпонентной системе жаропрочного никелевого сплава. Для решения этой задачи в качестве исходных данных были использованы экспериментальные значения концентраций легирующих элементов в осях дендритов и межосных пространствах до и после гомогенизирующего отжига, применяемого для выравнивания ликвационной неоднородности в монокристаллах никелевых сплавов, которые фактически являются прямым диффузионным экспериментом в реальной многокомпонентной системе, учитывающим взаимное влияние элементов, их концентрацию и фазовый состав.

Необходимо отметить, что коэффициенты ликвации легирующих элементов K в отливках, параметры гомогенизации (температура и время) и остаточная л.i ликвация известны для большинства отечественных и зарубежных жаропрочных никелевых сплавов.

При разработке математической модели допускали, что диффузия происходит из источника с ограниченным количеством вещества, заключенным между плоскостями, расположенными на расстояниях ± R от плоскости, проходящей через ось дендрита и параллельной этим плоскостям, причем диффузионный поток может распространяться внутри конечного образца в обе стороны. Диффузионный путь атомов в процессе гомогенизации сплавов соответственно равен ± R (рис. 1).

Граница дендритной оси в сечениях: х = - R и х = + R не имеет стока диффундирующего вещества, т. е. выполняется частный случай граничных условий 2-го рода, когда поток вещества через границу междендритной области (обратная ликвация) или через сечение, проходящее вдоль оси дендрита (прямая ликвация) равен нулю. Это обусловлено строением монокристаллических сплавов, когда оси дендритов равномерно распределены и плотно соприкасаются между собой, а на расстоянии (в нашем случае) 160 мкм друг от друга расположены центры одинаковых источников.

C(x; t) Граничные условия:

16,Ci f (x) Сit,0 для: х = 0 и t = 0;

оси t=tгом Ci f (x,t) Сit,0до м для: x = ± R и t = 0;

Поток вещества через границу:

t=qx R 6,Ось дендрита +X -X -80 мкм +80 мкм Рис. 1 Зависимость концентрации легирующего элемента Ci (x; t) в неограниченный образец из мгновенного источника (на примере Re) Для определения коэффициента диффузии легирующего элемента была получена формула (1), которая является решением соответствующего уравнения диффузии в граничных условиях 2-го рода:

R2 (1- a) D 0,1086 tгом a Kit, (1) lg гом Kit где R – расстояние между осями дендритов, tгом - время гомогенизации, Ki - коэффициенты ликвации до и после гомогенизации, a – к/т ликвационной неоднородности.

Для приближенной оценки влияния температуры на коэффициент диффузии легирующих элементов в многокомпонентных системах был использован параметр Ларсона-Миллера как комплексная характеристика температурновременного воздействия на жаропрочный сплав, обоснованная положениями теории деформации ползучести.

Для определения коэффициентов диффузии Si, Y, Zr воспользовались положениями статистической теории диффузии в твердом теле, где основная роль элементарных перемещений атомов объясняется образованием (дефект Шоттки) и перемещением вакансий. С позиции вероятности, это означает, что практически в любой момент времени атом локализован вблизи одного из равновесных положений и перемещение его можно представить в виде мгновенного прыжка.

Разность энергий активированного комплекса и основного состояния составляет энергию активации данного прыжка (Hj). Частота прыжков вакансии пропорциональна вероятности е нахождения в ближайшем окружении атома, обладающего достаточной энергией. На базе использования закономерности теории диффузии была аппроксимирована зависимость коэффициента диффузии от характеристической частоты колебаний атомов: Di = (0), которую достаточно легко можно вычислить для любого химического элемента. Используя предложенный подход, были построены регрессионные модели для определения коэффициентов диффузии элементов сплава Y, Zr (2) и Si (3), концентрации которых малы и не могут быть измерены экспериментальным путем:

3 Di 1017 0,0757 v0 1,7846 v0 13,0259 v0 31,1514, (2) Di 1017 0.01097 v0,5556, (3) где 0 — характеристическая частота собственных колебаний атома.

Рассчитанные на базе использования двух предложенных методов значения коэффициентов диффузии элементов в сложнолегированном никелевом особожаропрочном сплаве приведены в таблице 1.

Таблица Химический элемент AI Сг Со Та W Re Si Y Zr Ni Коэффициент диффу1.933 3.151 1.707 0.961 1.092 0.864 7.765 2.499 1.099 6.зии D1017, м2/с Для сравнения укажем, что в сложнолегированном сплаве Rene №5 по данным Ю. А. Бондаренко, коэффициент самодиффузии никеля колеблется от (3,до 6,52) 10-17 м 2 /с, что в достаточной степени согласуется с полученными результатами.

В третьей главе была проведена оценка возможности использования известных параметров структурной и фазовой стабильности, разработанных для никелевых жаропрочных сплавов (вероятность выделения ТПУ-фаз), для оценки структурной стабильности покрытий. При анализе были использованы два метода: уравнение баланса легирования Г. И. Морозовой E и метод New PHACOMP Md.

Учитывая постоянное изменение концентрации легирующих элементов вследствие встречной диффузии последних под действием градиента концентрации gradCi и температурного фактора T, требуется в любой момент времени знать фазовый состав «элементарного слоя» и химический состав самих фаз. С этой целью был проведен анализ химического состава 103 промышленных отечественных и зарубежных сплавов.

Для повышения качества получаемых регрессионных моделей была применена информационная технология конфлюэнтного анализа случайных характеристик сплавов. Это позволило достаточно формализовано и существенно повысить прогнозирующие свойства регрессионных моделей при ограниченной и зашумлнной статистической информации (увеличение коэффициента регрессии R от 0,82 до 0,97).

Таким образом, были получены регрессионные уравнения для расчета велиV чины объемного содержания высокодисперсных (0,3 – 0,5 мкм) частиц - фазы кубовидной формы:

V 42.451 0.535CCr 0.369 CCo 0.815CW 1.159 CMo (4) 3.440CAl 2.809 CTi 0.816CTa 0.009 CRe 1.043CNb 0.094 CHf 16.214 CC 0.469 CV Для определения химического состава - фазы и – твердого раствора были рассчитаны коэффициенты распределения элементов между фазами и предложены уравнения регрессии:

KCr (Ci ) 0.261 0.001CCr 0.007CCo 0.019CW 0.003CMo 0.018CTi 0.015CAl 0.018CTa 0.016CRe, (5) KCo (Ci ) - 0.085 0.006CCr 0.011CCo 0.038CW 0.005CMo 0.045CTi 0.025CAl 0.111CTa 0.040CRe, (6) KW (Ci ) 0.608 0.013CCr 0.004CCo 0.028CW 0.076CMo 0.030CTi 0.006CAl 0.272CNb 0.155CV, (7) KMo(Ci ) 0.603 0.023CCr 0.005CCo 0.002CW 0.015CMo 0.012CTi 0.003CAl 0.191CNb 0.049CTa, (8) KTi (Ci ) 8.128 0.051CCr 0.067CCo 0.396CW 0.035CMo 0.646CTi 0.581CAl 6.503CHf 0.253CFe, (9) KAl (Ci ) 32.970 0.721CCr 0.367CCo 1.767CW 0.886CMo 0.494CTi 0.907CAl 2.100CTa 2.529CV, (10) KNb(Ci ) 1.166 0.079CCr 0.043CCo 0.024CW 0.023CMo 0.141CTi 0.055CAl 1.690CNb 0.148CTa, (11) KTa (Ci ) 1.864 0.084CCr 0.083CCo 0.108CW 0.015CMo 0.024CTi 0.033CAl 1.262CTa 1.974CRe, (12) KRe(Ci ) 0.023 0.001CCr 0.001CCo 0.001CW 0.001CMo 0.003CTi 0.001CAl 0.017CNb 0.014CRe, (13) KV (Ci ) -0,291 0.013CCr 0.006CCo 0.001CW 0.021CMo 0.018CTi 0.024CAl 1.069CHf 0.368CV, (14) KFe(Ci ) 0.027CFe, (15) где C Al…Fe – концентрация легирующего элемента.

Были рассчитаны служебные характеристики большинства отечественных и зарубежных жаропрочных никелевых сплавов и факторы структурной и фазовой стабильности E и сплавов и слоев жаростойких покрытий. Так, например, Md расчетное значение Md 0,94284 для сплава Corona №18 Франция (0,02% C;

11,5% Cr; 15,7% Co; 6,5% Mo; 4,4 % Ti; 4,4% Al; 0,5% Hf), полученное с использованием формул (4…15), практически совпадает со значением Md 0,942, опубликованным J.Guedoy (Superalloys - 2008), что свидетельствует об адекватности регрессионных моделей.

В четвертой главе предложена модель диффузионного массообмена легирующих элементов между слоями жаростойкого покрытия, барьерного слоя и жаропрочного сплава. Поскольку общая толщина защитных покрытий составляет 50 – 220 мкм, а толщина стенки охлаждаемой лопатки от 1,0 до нескольких миллиметров, диффузию легирующих элементов из жаростойкого покрытия в материал лопатки ГТД в предложенной одномерной модели процесса рассматривали как диффузию из объема с ограниченным запасом вещества в полубесконечное тело. Встречный поток легирующих элементов - как диффузию из объема с неограниченным запасом вещества в конечное (или полубесконечное) тело, поскольку жаропрочный сплав лопатки по отношению к покрытию является телом с неограниченным запасом вещества. Направление диффузионного потока легирующих элементов определяется grad Ci – градиентом концентрации i –го компонента. Схематично модель изменения концентрации Al и Cr в различных слоях композиции при эксплуатации жаростойкого покрытия представлена на рис. 2.

Ci (x, t) Жаропрочный Барьерный слой Жаростойкое покрытие никелевый сплав Al Al2OGrad C Al, Cr Grad C Al, Cr CrCr2OC0покрытие Ci (x, t, T) C0лопатка En E1 E2 EMd n Md1 Md2 Md C0барьер 40 мкм X, мкм 40 мкм 40 мкм Рис. 2 Модель диффузионного массопереноса и окисления Al и Cr с поверхности жаростойкого покрытия в процессе эксплуатации изделия Для решения прямой задачи по определению концентрации i- го легирующего элемента в различных сечениях композиции материал лопатки – барьерный слой – жаростойкое покрытие воспользовались решениями 2-го уравнения Фика для одномерной функции в соответствующих граничных условиях. Предложенная методика основана на применении рассчитанных коэффициентов диффузии легирующих элементов Di и совместного решения уравнений диффузионного массопереноса из материала лопатки в барьерный слой (16) и встречного потока (17):

C(x;t) Cs (C0 Cs ) erf (x / 2Dt), (16) Сп CC(x;t) erf (x h) / 2Dt erf (x h) / 2Dt, (17) где: CS и C п – концентрация i-го легирующего элемента на поверхности жаропрочного никелевого сплава и жаростойкого покрытия, C0 – начальная концентрация i-го легирующего элемента в барьерном слое, D – коэффициент диффузии, t – время диффузионного процесса, h – толщина барьерного слоя (или покрытия), x – координата расчетного сечения. Причем начальная концентрация легирующих элементов CS в лопатке определяется его марочным составом жаропрочного сплава.

Концентрации стока элементов, обеспечивающих жаростойкость покрытия Al, Cr, Si, Y с учетом их окисления с поверхности, определялись из стехиометрического состава соответствующих окислов Al2O3, Cr2O3, SiO2, YO.

Расчет вероятности выделения ТПУ – фаз в сечениях жаростойкой композиции и материале лопатки производился методами E и Md для химического состава «элементарных» слоев толщиной 10 мкм и фиксированных отрезков времени t = 100 ч, что позволило определять не только момент «критического охрупчивания» материала в процессе эксплуатации, но и наиболее опасное сечение.

Толщина барьерного слоя и жаростойкого покрытия выбирались с учетом необходимого интегрального запаса Al и Cr при условии сохранения минимального запаса – фазы (NiAl), обеспечивающей жаростойкость в течение всего времени эксплуатации изделия при заданной температуре.

Решение обратной задачи по определению химического состава Cп и толщины h барьерного слоя и жаростойкого покрытия возможно по формуле (18):

x C (x,t) Cs erfc i 2 Dt Cn 2 Cs, (18) h x erf erf Dt 2 Dt где: x – координата наиболее «опасного» сечения, Ci(x, t) – максимально возможная концентрация легирующего элемента, не вызывающая появления ТПУ – фаз.

В пятой главе рассмотрены результаты производственного опробования и проверки адекватности метода расчета многослойных многокомпонентных жаростойких покрытий на изделиях из монокристаллического жаропрочного никелевого ренийсодержащего сплава ЖС 32, широко применяемого в настоящее время для литья рабочих лопаток газовых турбин высоконагруженных ГТД. Протестировано современное вакуумное ионно–плазменное покрытие системы Cr-Co-AlHf-Ta-W-Ni, полученное методом ВПТВЭ, на установке МАП -1М и рекомендованное на предприятиях авиационной промышленности в качестве жаростойкого покрытия для защиты рабочих лопаток ГТД от высокотемпературной коррозии, а также в качестве барьерного слоя (подслоя) для термозащитных керамических покрытий (ТЗП) на основе ZrO2.

Был произведен расчет параметров структурной и фазовой стабильности E и Md сплава «элементарных» слоев толщиной по 10 мкм для приграничной зоны материала - основы и жаростойкого покрытия Cr-Co-Al-Hf-Ta-W-Ni. Монокристаллическая рабочая лопатка 1-й ступени с жаростойким покрытием работала в составе ГТД при T = 1373 K в течение 500 часов (естественная наработка), испытывая не только воздействие температуры, но и весь комплекс нагрузок и воздействий газовой струи, присущих этому изделию. Анализ результатов расчета по методу E и Md, представленный на диаграммах (рис. 3 и 4), свидетельствует о возможности выделений ТПУ – фаз, на основе тугоплавких элементов W и Re в сплаве под жаростойким покрытием (SRZ). Появление ТПУ – фаз спрогнозировано на глубину 40 – 50 мкм, а также в приграничных слоях покрытия толщиной 10 - 20 мкм (до половины толщины зоны взаимной диффузии).

Рис. 3 Распределение показателя баланса легирования E по сечениям композиции после температурно – временной наработки (T = 1373 K, t = 500 ч) Проведенный анализ микроструктуры сплава ЖС32 и защитного покрытия (рис. 5), их химического и фазового состава свидетельствуют о том, что, несмотря на высокое остаточное содержание Al и Cr в покрытии, система в целом потеряла жаропрочность (и др. эксплуатационные характеристики) вследствие выделения хрупких ТПУ – фаз в материале основы, что полностью подтверждает сделанный прогноз.

Рис. 4 Распределение параметра Md сплава по сечениям композиции после температурно – временной наработки (T = 1373 K, t = 500 ч) Микрорентгеноспектральный анализ показал, что химический состав образовавшейся в сплаве под жаростойким покрытием ТПУ - фазы (Co - 9,21 %, Cr - 6,19 %, W - 28,08 %, Re - 28,03 %, Al – 1,86 %, Ni – 26,63 %), сходен по составу с ТПУ – фазой (Co - 9 %, Cr - 9 %, Mo - 2 %, W - 28 %, Re - 28 %, Al - 1 %, Ti - %, Ni - 20 %) в ренийсодержащем сплаве CMSX – 4.

а) б) Рис. 5 Микроструктура а) наружного слоя жаростойкого покрытия (2500), б) образование SRZ в жаропрочном сплаве ЖС32 (1000) на глубине 40 мкм от поверхности изделия.

Выводы по работе:

1. Разработана и обоснована концепция, определяющая новый подход к технологии, конструкции и составам многофункциональных многокомпонентных защитных покрытий, обеспечивающих минимальное изменение структуры и состава жаропрочных сплавов в процессе эксплуатации в течение заданного времени и температуры. Предлагаемый концептуальный подход основан на оценке диффузионных потоков и образующегося состава в различных слоях нанесенного покрытия и защищаемого сплава.

2. Разработаны и предложены методы определения коэффициентов диффузии элементов в сложнолегированных никелевых жаропрочных сплавах, основанные на использовании характеристик выравнивания дендритной ликвации после литья и гомогенизации, а также на базе расчета характеристической частоты колебаний атомов в кристаллической решетке сплавов.

На основе использования предложенных методов рассчитаны коэффициенты диффузии элементов, входящих в состав особожаропрочного никелевого сплава ЖС 47. Полученные данные находятся в хорошем согласии с известными в литературе экспериментальными результатами для сплавов этой группы.

3. Расчетные значения коэффициентов диффузии использованы для прогнозирования изменений химического состава жаропрочных сплавов и жаростойких покрытий, происходящих в процессе эксплуатации последних при рабочих температурах. Это позволило значительно сократить трудоемкость и время лабораторных исследований. С применением предложенного расчетного метода спрогнозировано образование топологически плотноупакованных фаз (SRZ – вторичной реакционной зоны) под жаростойким покрытием в сплаве ЖС32, которое подтверждено экспериментально исследованиями микроструктуры сплава и покрытия. Таким образом, дано одно из теоретических обоснований появления SRZ при эксплуатации монокристаллических жаропрочных сплавов с защитными покрытиями, а состав и морфология ТПУ – фаз находятся в полном соответствии с данными, известными из литературных источников. Впервые определена структурная и фазовая стабильность композиции: жаропрочный сплав – барьерный слой – жаростойкое покрытие расчетными методами.

4. Разработана методика конструирования и расчета жаростойких покрытий на лопатки ГТД из жаропрочных сплавов на Ni -основе, учитывающая:

химический состав жаропрочного сплава, требуемую температуру эксплуатации изделий, время наработки изделия. Методика конструирования покрытий позволяет:

– количественно описывать процесс эксплуатации жаростойкого покрытия:

изменение химического, фазового состава и свойств материала в любом сечении;

– рассчитать и спрогнозировать изменение состава и свойств композиции для заданной температуры и времени наработки;

– определять толщину и химический состав барьерного слоя и жаростойкого покрытия, исходя из заданных условий эксплуатации и химического состава защищаемого сплава;

– установить период времени, в течение которого покрытие потеряет жаростойкость либо произойдет хрупкое разрушение вследствие выделения ТПУ - фаз;

– многократно сократить затраты на проведение НИОКР по созданию жаростойких покрытий с последующим исследованием свойств.

Публикации по теме диссертации Публикации в журналах, включенных в перечень ВАК РФ:

1. Зайцев, Н. А. Разработка методики расчета состава жаростойких покрытий на лопатки из жаропрочных никелевых сплавов [Текст] / Н. А. Зайцев, А.

В. Логунов, А. А. Шатульский, Ю. Н. Шмотин // Вестник РГАТА. – Рыбинск. – 2011. – №1(19). – С. 96 – 104.

2. Зайцев, Н. А. Определение коэффициентов диффузии легирующих элементов в жаропрочных никелевых сплавах [Текст] / Н. А. Зайцев, А. В. Логунов, А. А. Шатульский, Ю. Н. Шмотин // Технология металлов. – 2011. – №10. – С. 38 – 47.

3. Безъязычный, В. Ф. Информационная технология конфлюэнтного анализа служебных характеристик жаропрочных сплавов [Текст] / В. Ф. Безъязычный, О. В. Виноградова, Н. А. Зайцев, А. В. Логунов, А. А. Шатульский, В.

Н. Шишкин // Инженерный журнал. Справочник. – 2011. – №9(174). – С. 51 – 56.

Прочие публикации:

4. Зайцев, Н. А. Разработка методики расчета материала катода для ионно – плазменного напыления жаростойких покрытий на лопатки ГТД из жаропрочных никелевых сплавов [Текст] / Н. А. Зайцев, А. В. Логунов, А. А. Шатульский // Нанотехнологии в производстве авиационных газотурбинных двигателей летательных аппаратов и энергетических установок: мат. Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. – Рыбинск. - РГАТА. – 2010. – С. 21 – 26.

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 21.02. 2012.

Формат 6084 1/16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100. Заказ Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева (РГАТУ имени П. А. Соловьева) Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьева 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина,




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.