Специальные конструкционные покрытия

Охлаждение лопатки воздухом, продуваемым через внутреннюю полость, обеспечивает их работоспособность при высоких (1000...1200°С) температурах. Изменения температуры имеют циклический характер, связанный с циклической работой газотурбинного двигателя. Большая неравномерность температурного поля по толщине (перепад температур порядка 50...100°С) приводит к появлению больших циклических знакопеременных напряжений. Возникновение термических напряжений обусловлено неравномерным расширением материала детали при ее неравномерном нагреве, когда более нагретые участки, расширяясь, оказываются стесненными более холодными участками. Уровень напряжений в некоторых частях лопатки может превышать предел упругости. В результате действия больших напряжений при высоких температурах материал получает значительные знакопеременные деформации, приводящие к быстрому, за 500–5000 циклов, разрушению лопаток. Наряду с теплозащитными керамическими покрытиями для защиты лопаток от высокотемпературного воздействия ведутся разработки конструкционных покрытий, позволяющих за счет использования каналов охлаждения, расположенных либо под покрытием (оболочковые лопатки), либо непосредственно в покрытии (каналированные покрытия).

Разработки оболочковых лопаток начались в 1947 г. [1]. Однако возникшие технологические сложности не позволили за короткое время реализовать эти покрытии в производственных условиях.

Технология изготовления этих покрытий заключается в формировании на поверхности пера лопатки каналов охлаждения, заполнении этих каналов удаляемым наполнителем и нанесением покрытия, с последующим удалением из каналов наполнителя и образованием оболочки, закрывающей охлаждающие каналы лопатки (рис. 3.18.[1] и 3.19. [2]).

Рис. 3.18. Схема получения оболочкового покрытия на лопатке [1]:

а – схема расположения каналов охлаждения на поверхности пера лопатки;

б – сечение пера лопатки с каналами охлаждения; в – каналы с наполнителем;

г – сечение лопатки после нанесения покрытия; д – образование каналов после удаления наполнителя;1 – лопатка; 2 – каналы; 3 – поверхность пера для соединения с оболочкой, формируемой при нанесении покрытия; 4 – наполнитель; 5 – оболочка лопатки

Рис. 3.19. Конструкция лопатки с оболочковым покрытием [2]:

1 – лопатка; 2 – оболочка; 3 – каналы охлаждения

В патенте [3] представлена оболочковая лопатка с дополнительными перфорациями непосредственно в оболочке для создания дополнительного пленочного покрытия (рис. 3.20).

Рис. 3.20. Схема перфорированного оболочкового покрытия [3]:

1 – лопатка; 2 – перфорации в лопатке; 3 – выступы, в виде усеченных конусов;

4 – пространство между оболочкой и лопаткой; 5 – перфорации в оболочке;

6 – внешняя оболочка

К покрытиям с каналами, находящимися непосредственно в покрытии относятся следующие виды.

Многослойное металлокерамическое теплозащитное покрытие [Патент США № 6551061/2003], нанесенное на поверхность лопатки имеет керамический пористый слой на основе ZrO ₂, нанесенный поверх конденсированного металлического подслоя, в котором выполнены малоразмерные каналы (ширина от 0,01 до 0,1 мм). При этом обеспечивается образование каналов над ними. По каналам подают воздух, который через поры выходит на поверхность лопатки, обеспечивая образование защитной воздушной пленки и охлаждение поверхности лопатки.

В патенте [5] (рис. 3.21) представлено многослойное теплозащитное покрытие пера, содержащее металлический подслой с выполненными в нем воздушными каналами и с нанесенным на него пористым керамическим слоем. На керамический слой снаружи нанесен верхний металлический слой. Воздушные каналы выполнены в виде соосных отверстий, часть из которых проходит через стенку пера лопатки, металлический подслой и керамический слой, а часть – через керамический и верхний металлический слои, образуя пневматическую связь между внутренней полостью лопатки и ее поверхностью через пористый керамический слой. Керамический слой образован керамическими столбчатыми волокнами. Каждый нанесенный на перо лопатки металлический слой расположен таким образом, что слой, имеющий меньший коэффициент линейного расширения, находится в зоне действия большей температуры, а слой с большим коэффициентом линейного расширения находится в зоне действия меньшей температуры.

а б

Рис. 3.21. Лопатка с оболочковым конструкционным покрытием [4]:

а – заготовка; б – лопатка с покрытием-оболочкой;1 – перо; 2 – каналы охлаждения;

3 – хвостовик; 4 – оболочка-покрытие

Покрытие с каналами охлаждения, выполненное в виде оболочки, соединенной с поверхностью лопатки через перегородки, представлено в патенте [6] (рис. 3.22).

Рис. 3.22. Оболочковое покрытие [6]:

1 – лопатка; 2 – каналы; 3 – система перегородок; 4 – внешняя оболочка

Теплозащитное керамическое покрытие с внутренними каналами охлаждения [7] представляет из себя двухслойное ТЗП (рис. 3.23), в котором расположены каналы охлаждения. В связи с пористостью внешнего керамического слоя такое покрытие обеспечивает тройную защиту: во-первых за счет теплозащиты керамического слоя, во-вторых – за счет охлаждения самого покрытия, и в-третьих – за счет пленочного охлаждения лопатки.

Рис. 3.23. Теплозащитное покрытие с каналами охлаждения [7]:

1 – лопатка; 2 – подслой; 3 – каналы; 4 – керамический слой

Теплозащитное керамическое покрытие с внутренними каналами охлаждения, предложенное фирмой Дженерал Электрик, представляет собой многослойное покрытие, в котором слой, связующий покрытие и основной материал лопатки, выполнен дискретным [8] (рис. 3.24). В результате этого, кроме эффекта охлаждения, который обеспечивают каналы в связующем слое, возникает демпфирующий эффект, связанный с несплошностью связующего слоя.

Рис. 3.24. Теплозащитное покрытие с каналами охлаждения в подслое [8]:

1 – лопатка; 2 – поверхность пера лопатки; 3 – жаростойкий слой; 4 – керамический слой;

5 – каналы; 6 – дискретный связующий слой; 7 – адгезионный подслой

Вариант способа получения теплозащитного покрытия, включающего нанесение на поверхность пера лопатки удаляемые элементы, представлено в разработках Дженерал Электрик [8] (рис. 3.25)

Рис. 3.25. Теплозащитное покрытие с каналами охлаждения в подслое [8]:

1 – лопатка; 2 – керамический слой; 3 – жаростойкий слой; 4 – каналы; 5 – процесс удаления наполнителя; 6 – жаростойкий слой с каналами; 7 – удаляемые элементы

В табл. 3.4 приведены основные характеристики конструкционных покрытий и их сравнение с традиционными.

Т а б л и ц а 3.4

Основные характеристики конструкционных покрытий [4]

Продолжение табл. 3.4

Окончание табл. 3.4

Нанопокрытия. Микрозернистые по структуре вакуумно-дуговые покрытия на основе соединений тугоплавких металлов характеризуются высокой твердостью (20...35 ГПа), износостойкостью, низкими коэффициентами трения, однако их недостаток – значительная хрупкость, что ухудшает эксплуатационные характеристики покрытий.

В настоящее время появляется возможность получения новых вакуумных нанопокрытий с размерами зерен менее 100 нм, такие покрытия обладают улучшенными механическими характеристиками (рис. 3.26 и 3.27).

а б

Рис. 3.26. Нанокомпозитная структура [4]:

а – схематическая модель; б – микрофотография

Рис. 3.27. Структура нанослойного магнетронного покрытия [4]

Анализируя существующие нанопокрытия, можно выделить три основные группы:

1) Наноструктурные покрытия, в отличие от традиционных, совмещают в себе повышенную микротвердость и достаточную пластичность. Поведение нанокристалических материалов с размерами зерен 10 нм и менее определяется главным образом процессами в пограничных областях, поскольку количество атомов в зернах сравнимо или меньше, чем в их границах. Это обстоятельство существенно изменяет характер взаимодействия между соседними зернами, например, тормозит генерацию дислокаций, препятствует распространению трещин из-за упрочнения границ зерен. При этих условиях дислокации в нанозернах отсутствуют.

2) Нанокомпозитные покрытия состоят из основной нанокристаллической твердой фазы, на границах зерен которой располагается тонкий слой второй нанокристаллической или наноаморфной фазы (рис. 3.25). Таким образом, твердые зерна упрочняющей фазы разделены между собой тонкими прослойками атомов другой фазы. Такие покрытия обладают сверхвысокой твердостью, большими коэффициентами упругого возврата, высокой термостойкостью.

3) Нанослойные покрытия (рис. 3.26) обладают повышенной трещиностойкостью. Предпосылки для их получения возникли еще 20 лет назад, при разработке многослойных покрытий на основе TiN / NbN, TiN / VN, (TiAl) N /CrN и другие, с чередующимися слоями металлов или соединений. Нанослойные покрытия обладают различными внутренними напряжениями (модулями упругости) и близкими по величине коэффициентами термического расширения. Толщина отдельных слоев должна быть настолько мала, чтобы внутри них не появлялся источник дислокаций, а дислокации, которые под действием напряжений двигались бы к границе раздела из более мягкого слоя, отталкивались бы силами, создающимися упругими напряжениями в более твердом слое. Общее количество слоев покрытия выбирается в зависимости от решаемых технологических задач и в ряде случаев может достигать двухсот.

Для повышения эксплуатационных свойств деталей машин, находящихся в условиях интенсивного трения, относительно высоких температур, знакопеременных и вибрационных нагрузок используются износостойкие покрытия (табл. 3.5 и 3.6). Современные промышленные установки позволяют получать покрытия с достаточно широким диапазоном свойств, отвечающим условиям эксплуатации деталей машин. Для каждого типа деталей разрабатываются определенные типы покрытий и режимы их нанесения. Например, благодаря уникальной магнитной системе планарного мультикатодного дугового испарителя, содержание капельной фазы в покрытиях сведено к минимуму, что обеспечивает минимальный коэффициент трения между инструментом и деталью.

Т а б л и ц а 3.5

Износостойкие покрытия [4]

Т а б л и ц а 3.6

Триботехнические покрытия [4]

Контрольные вопросы

1. Основные методы нанесения защитных покрытий.

2. Возможности метода нанесения плазменных покрытий в обеспечении эксплуатационных свойств деталей.

3. На какие основные виды подразделяются методы нанесения жаростойких покрытий?

4. Возможности ионно-плазменных методов нанесения покрытий в обеспечении эксплуатационных свойств деталей.

5. Возможности магнетронного метода нанесения покрытий в обеспечении эксплуатационных свойств деталей.

6. Возможности электронно-лучевого метода нанесения покрытий в обеспечении эксплуатационных свойств деталей.

7. Особенности структуры и свойств нанослойных покрытий.

8. Какие покрытия относят к конструкционным?

9. В чем функциональное сходство и отличие конструкционных и теплозащитных покрытий?

10. Особенности наноструктурных, нанокомпозитных и нанослойных покрытий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К П. 3.4

1. Пат. США № 2641439, МПК F0311/02. Cooled turbine or compressor blade / S. B. Williams, 1953.

2. Пат. США № 3848307, МПК B21K3/04. Manufacture of fluid-cooled gas turbine airfoils / H. K. Paul, General Electric Company, 1974.

3. Пат. США № 6582194, МПК F0311/02. Gas-turbine blade and method of manufacturing a gas-turbine blade / Siemens Akt, 2003.

4. Материалы сайта ОАО НПО «ЦНИИТМАШ». Институт технологии поверхности и наноматериалов. Отдел покрытий и оборудования. Режим доступа: http://coatings-pvd.ru/nanoarc.php.

5. Пат. РФ № 2267615, МПК F01D5/18. Лопатка турбины / Н. Г. Бычков, А. В. Першин, ФГУП «ЦИАМ», 2006.

6. Пат. США № 6602053, МПК F01D 5/18. Cooling structure and method of manufacturing the same / P. C. Siemens Westinghouse, 2003.

7. Пат. США № 6617003, МПК В32В15/04. Directly cooled thermal barrier coating system / General Electric Company, 2003.

8. Пат. США № 6905302, МПК F01D5/14. Network cooled coated wall / General Electric Company, 2005.

Поиск по сайту: