Термическая долговечность теплозащитного покрытия на монокристальной лопатке после восстановления торца пера наплавкой TIG

Оценивали циклическую долговечность теплозащитного покрытия ZrO₂—Y₂O₃ на кобальтовом сплаве PWA 795, применяемом в качестве наплавляемого материала при восстановлении поврежденного торца пера рабочей лопатки наземной ГТД, изготовленной из монокристального сплава CMSX-4. Установлено, что после 300 те...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2015
Hauptverfasser:	Белявин, А.Ф., Куренкова, В.В., Федотов, Д.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2015
Schriftenreihe:	Современная электрометаллургия
Schlagworte:	Общие вопросы металлургии
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/115498
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Термическая долговечность теплозащитного покрытия на монокристальной лопатке после восстановления торца пера наплавкой TIG / А.Ф. Белявин, В.В. Куренкова, Д.А. Федотов // Современная электрометаллургия. — 2015. — № 1 (118). — С. 31-43. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-115498
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1154982017-04-07T03:02:27Z Термическая долговечность теплозащитного покрытия на монокристальной лопатке после восстановления торца пера наплавкой TIG Белявин, А.Ф. Куренкова, В.В. Федотов, Д.А. Общие вопросы металлургии Оценивали циклическую долговечность теплозащитного покрытия ZrO₂—Y₂O₃ на кобальтовом сплаве PWA 795, применяемом в качестве наплавляемого материала при восстановлении поврежденного торца пера рабочей лопатки наземной ГТД, изготовленной из монокристального сплава CMSX-4. Установлено, что после 300 термоциклов печных циклических испытаний теплозащитное покрытие, нанесенное на материал наплавки, имеет больший запас долговечности, чем покрытие на базовом сплаве. При длительном высокотемпературном воздействии происходит изменение химического состава связующего покрытия NiCoCrAlY в сторону CoNiCrAlY, что вносит положительный эффект в повышение структурной стабильности системы, замедляя таким образом процесс высокотемпературного окисления и деградации теплозащитных покрытий, а скорость роста TGO снижается на 30 % по сравнению с базовым сплавом. Подтверждено положительное влияние микролегирования активным компонентом (гафнием) наплавляемого сплава на улучшение адгезионной прочности TGO и связующего слоя Evaluated was a cyclic fatigue life of heat-protective coating ZrO₂—Y₂O₃ on cobalt alloy PWA 795, used as a surfaced material in restoration of damaged edge of blade airfoil of on-land GTU, manufactured of single-crystal alloy CMSX-4. It was found that after 300 thermal cycles of furnace cyclic tests the heat-protective coating, deposited on surfaced material, has a larger margin of life than the coating of the base alloy. At long-time high-temperature effect the change of chemical composition of bond coating NiCoCrAlY occurs to the side of CoNiCrAlY, that provides a positive effect in the increase of structural stability of the system, thus delaying the process of high-temperature oxidation and degradation of heat-protective coatings, and the growth of TGO is reduced by 30 % as compared with the base alloy. The positive effect of microalloying by an active component (hafnium) of alloy being surfaced for improvement of adhesion strength TGO and bond layer was confirmed. 2015 Article Термическая долговечность теплозащитного покрытия на монокристальной лопатке после восстановления торца пера наплавкой TIG / А.Ф. Белявин, В.В. Куренкова, Д.А. Федотов // Современная электрометаллургия. — 2015. — № 1 (118). — С. 31-43. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 0233-7681 DOI: doi.org/10.15407/sem2015.01.06 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/115498 621.791.92:526.001.4 ru Современная электрометаллургия Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Общие вопросы металлургии Общие вопросы металлургии
spellingShingle	Общие вопросы металлургии Общие вопросы металлургии Белявин, А.Ф. Куренкова, В.В. Федотов, Д.А. Термическая долговечность теплозащитного покрытия на монокристальной лопатке после восстановления торца пера наплавкой TIG Современная электрометаллургия
description	Оценивали циклическую долговечность теплозащитного покрытия ZrO₂—Y₂O₃ на кобальтовом сплаве PWA 795, применяемом в качестве наплавляемого материала при восстановлении поврежденного торца пера рабочей лопатки наземной ГТД, изготовленной из монокристального сплава CMSX-4. Установлено, что после 300 термоциклов печных циклических испытаний теплозащитное покрытие, нанесенное на материал наплавки, имеет больший запас долговечности, чем покрытие на базовом сплаве. При длительном высокотемпературном воздействии происходит изменение химического состава связующего покрытия NiCoCrAlY в сторону CoNiCrAlY, что вносит положительный эффект в повышение структурной стабильности системы, замедляя таким образом процесс высокотемпературного окисления и деградации теплозащитных покрытий, а скорость роста TGO снижается на 30 % по сравнению с базовым сплавом. Подтверждено положительное влияние микролегирования активным компонентом (гафнием) наплавляемого сплава на улучшение адгезионной прочности TGO и связующего слоя
format	Article
author	Белявин, А.Ф. Куренкова, В.В. Федотов, Д.А.
author_facet	Белявин, А.Ф. Куренкова, В.В. Федотов, Д.А.
author_sort	Белявин, А.Ф.
title	Термическая долговечность теплозащитного покрытия на монокристальной лопатке после восстановления торца пера наплавкой TIG
title_short	Термическая долговечность теплозащитного покрытия на монокристальной лопатке после восстановления торца пера наплавкой TIG
title_full	Термическая долговечность теплозащитного покрытия на монокристальной лопатке после восстановления торца пера наплавкой TIG
title_fullStr	Термическая долговечность теплозащитного покрытия на монокристальной лопатке после восстановления торца пера наплавкой TIG
title_full_unstemmed	Термическая долговечность теплозащитного покрытия на монокристальной лопатке после восстановления торца пера наплавкой TIG
title_sort	термическая долговечность теплозащитного покрытия на монокристальной лопатке после восстановления торца пера наплавкой tig
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Общие вопросы металлургии
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/115498
citation_txt	Термическая долговечность теплозащитного покрытия на монокристальной лопатке после восстановления торца пера наплавкой TIG / А.Ф. Белявин, В.В. Куренкова, Д.А. Федотов // Современная электрометаллургия. — 2015. — № 1 (118). — С. 31-43. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.
series	Современная электрометаллургия
work_keys_str_mv	AT belâvinaf termičeskaâdolgovečnostʹteplozaŝitnogopokrytiânamonokristalʹnojlopatkeposlevosstanovleniâtorcaperanaplavkojtig AT kurenkovavv termičeskaâdolgovečnostʹteplozaŝitnogopokrytiânamonokristalʹnojlopatkeposlevosstanovleniâtorcaperanaplavkojtig AT fedotovda termičeskaâdolgovečnostʹteplozaŝitnogopokrytiânamonokristalʹnojlopatkeposlevosstanovleniâtorcaperanaplavkojtig
first_indexed	2025-07-08T08:55:07Z
last_indexed	2025-07-08T08:55:07Z
_version_	1837068354992472064
fulltext	УДК 621.791.92:526.001.4 ТЕРМИЧЕСКАЯ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА МОНОКРИСТАЛЬНОЙ ЛОПАТКЕ ПОСЛЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТОРЦА ПЕРА НАПЛАВКОЙ TIG А. Ф. Белявин, В. В. Куренкова, Д. А. Федотов ООО «Патон Турбайн Технолоджис». 03028, г. Киев, ул. Ракетная, 26. E-mail: vkurenkova@patontt.com Оценивали циклическую долговечность теплозащитного покрытия ZrO2—Y2O3 на кобальтовом сплаве PWA 795, применяемом в качестве наплавляемого материала при восстановлении поврежденного торца пера рабочей лопатки наземной ГТД, изготовленной из монокристального сплава CMSX-4. Установлено, что после 300 термоциклов печных циклических испытаний теплозащитное покрытие, нанесенное на материал наплавки, имеет больший запас долговечности, чем покрытие на базовом сплаве. При длительном высокотемпературном воздействии происходит изменение химического состава связующего покрытия NiCoCrAlY в сторону CoNiCrAlY, что вносит положительный эффект в повышение структурной стабильности системы, замедляя таким образом процесс высокотемпературного окисления и деградации теплозащитных покрытий, а скорость роста TGO снижается на 30 % по сравнению с базовым сплавом. Подтверждено положительное влияние микролегирования активным компонентом (гафнием) наплавляе- мого сплава на улучшение адгезионной прочности TGO и связующего слоя. Библиогр. 20, табл. 2, ил. 12. Ключ е вы е с л о в а : монокристальный сплав; наплавка; теплозащитное покрытие; TGO; зона обезлеги- рования; микролегирование; подавление волнистости; модифицирование; зернограничное упрочнение Надежность и ресурс газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинной установки (ГТУ) определя- ются работоспособностью таких максимально на- груженных конструкционных элементов, как вра- щающиеся рабочие лопатки первой ступени турбин. Сегодня максимальная рабочая температура газо- вого потока на входе в турбину составляет 1400... ...1600 °С. Рабочие лопатки противостоят не только механическим нагрузкам, но одновременно и высо- котемпературному окислительному воздействию га- зовой атмосферы. В настоящее время эффективность работы евро- турбинной установки (250 МВт) составляет 38 %, а ГТУ (375 МВт) – 40 % в работающем открытом цикле (или ГТУ (570 МВт) – 60 % в комбинирован- ном цикле) [1, 2]. Последние 20 лет основное развитие турбострое- ния направлено на увеличение эффективности рабо- ты газотурбинных установок и достижение КПД свыше 50 % в результате повышения температуры газа на входе в турбину. Для этого требуется улуч- шение качества базовых материалов и развитие бо- лее сложного внутреннего и внешнего охлаждения теплонагруженных компонентов ГТД. Одной из ос- новных задач является увеличение долговечности работы компонентов турбин путем создания новых материалов и систем защитных покрытий, а также разработки технологий восстановительного ремонта рабочих лопаток после выработанного ресурса ГТД и ГТУ. Рабочие лопатки ГТУ, изготовленные из нике- левых суперсплавов, в процессе эксплуатации под- вергаются высокотемпературному коррозионно- эрозионному и термоусталостному воздействию. Для ремонта дорогостоящих изделий применяют различные технологии по устранению эксплуата- ционных дефектов и восстановлению структуры ба- зового сплава [2]. Нанесение теплозащитных по- крытий (ТЗП) является финишным этапом процес- са восстановления лопаток после их эксплуатации. Применение ТЗП на рабочих лопатках является одним из путей улучшения эксплуатационной дол- говечности теплонагруженных изделий и более эф- фективной работы газотурбинных установок. В комбинации с внутренним пленочным охлаждением TЗП обеспечивают не только снижение температу- ры подложки, но и изолируют изделия от воздей- ствия газовой среды и, следовательно, позволяют повысить температуру газа на входе в турбину, сни- зить массу охлаждающего воздушного потока. В ООО «Патон Турбайн Текнолоджис» успешно апробирована технология восстановления способом наплавки TIG торца пера рабочей лопатки [3]. На последнем этапе восстановительного ремонта на ло- патку из монокристального сплава способом элек- тронно-лучевого осаждения (EB PVD) наносили ТЗП с металлическим связующим подслоем. © А. Ф. БЕЛЯВИН, В. В. КУРЕНКОВА, Д. А. ФЕДОТОВ, 2015 31 Окисление связующего слоя при высокой темпе- ратуре является процессом, определяющим долго- вечность ТЗП современных газотурбинных устано- вок. Долговечность ТЗП, полученных с использова- нием EB PVD с общепринятым подслоем MeCrAlY и сформированной защитной пленкой α-Al2O3, оп- ределяется составом металлического подслоя, кри- тической толщиной термически выращенного ок- сидного слоя – TGO, скоростью зарождения и рас- пространения трещины на межфазной границе, мак- роскопическими повреждениями (отслоением) ке- рамического слоя и т.д. Существенное влияние ока- зывает также скорость роста оксидной пленки и ее адгезия со связующим слоем ТЗП при теплосменах. Основная задача исследований заключалась в определении работоспособности восстановленной рабочей лопатки с ТЗП и сравнительной оценке ее термоциклической долговечности на базовом моно- кристальном сплаве, а также на материале, наплав- ленном на торец лопатки. Материалы и методы исследований. Исследования проводили на рабочих лопатках первой ступени на- земного ГТД после неустановленного срока эксплу- атации. Детали изготовлены из монокристального сплава CMSX-4, мас. %: Ni—9Co—6,5Cr—6,0W— 0,6Mo—6,5Ta—5,6Al—1,0Ti—3,0Re—0,1Hf. Одна из лопаток имела существенные повреждения торце- вой части пера – уменьшение высоты пера вслед- ствие износа «пояска», формирующего углубление торца, деградацию материала и трещину на торце пера (рис. 1, а). Данные дефекты были вызваны коррозионно-эрозионным воздействием газового потока и касанием торца пера лопатки о лабиринт- ное уплотнение турбины. В процессе ремонта лопатки с использованием плоскошлифовального станка «HARIG 612» сняли поврежденный «поясок» торцевой части пера. Ос- татки покрытия удалили при помощи ручной шли- фовки и воздушно-абразивной обработки с после- дующим проведением капиллярного контроля. Восстановительную наплавку торца пера выпол- няли способом TIG с использованием присадочной проволоки PWA795F диаметром 0,7 мм и сварочного аппарата «HOBART 120». Многопроходный процесс осуществляли в импульсном режиме, а перемещение электрода – перпендикулярно основному направ- лению роста монокристальной лопатки <001>. Формирование внешних поверхностей торца пе- ра проводили на станке СШО-1 и плоскошлифо- вальном станке «HARIG 612». Внутреннюю повер- хность формировали на электроэрозионном станке «HANSVEDT» с помощью электрода, повторяюще- го контуры углубления новой лопатки. Углубление торца лопатки после обработки составило 1,25 мм. После капиллярного контроля (для выявления возможных дефектов наплавленных швов) на ло- патку способом электронно-лучевого осаждения в вакууме наносили металлический связующий под- слой NiCoCrAlY. После дробеструйной и термичес- кой обработки на него осаждали керамическое по- крытие ZrO2—Y2O3 (рис. 2, б). На первом этапе исследовали восстановленный наплавкой торец пера с ТЗП. На микрошлифах про- дольного сечения выходной кромки изучали исход- ную структуру металла наплавленного шва на пред- мет сплошности и кристаллизационных дефектов, а также морфологию межфазных границ. Анализи- ровали структуру и адгезию связующего слоя на ремонтном участке, а также состояние керамического покрытия. Параллельно изучали структуру ТЗП, Рис. 1. Общий вид рабочей лопатки ТВД ГТД после эксплуатации (а, б) и комплексного восстановительного ремонта (в, г) 32 сформированного на базовом материале лопатки, т.е. на сплаве CMSX-4 другой рабочей лопатки ГТД того же типа. Керамическое покрытие наносили в одной садке на обе лопатки, металлический связу- ющий подслой на обеих лопатках имел аналогичный химический состав. Шлифы образцов, вырезанные из лопаток до и после испытаний, исследовали на сканирующем электронном микроскопе CamScan-4; химический состав оценивали с применением энергодисперсион- ного анализатора ENERGY 200 (с программным обеспечением INCA). Микротвердость основного материала, связующего слоя, материала наплавки и межфазных границ измеряли на приборе «Micro- Duromat 4000E» при нагрузке 0,1...0,2 Н. Восстановленные лопатки с ТЗП испытывали на воздухе в установке СM FURNACES Bloomfield- 1710BL (c) по часовому циклу. Применяли нагрев до 1100 °С (5 мин) + выдержка при максимальной температуре (45 мин) + охлаждение до 50 °С (10 мин). При этом скорость нагрева/охлаждения составляла более 100 °С/мин. Температура испы- таний соответствовала условиям работы лопаток в реальном двигателе. Ввиду того, что рабочие лопатки имели относи- тельно большой размер и обеспечить равномерный нагрев изделия в малой лабораторной установке бы- ло сложно, их распускали на сегменты. Испытыва- ли три сегмента пера лопаток – торец (20 % торца пера по высоте), центральную (50 %), и корневую части пера (80 %), а также сегмент, вырезанный из платформы. Образцы имели высоту 20 мм с сохра- нением полного профиля пера исходной лопатки. Долговечность лопаток оценивали визуально по состоянию ТЗП на образцах в процессе проведения термоциклических испытаний. Основным крите- рием служило надежное сцепление ТЗП со связу- ющим покрытием, т.е. отсутствие сколов керамичес- кого слоя. Образцы снимали с испытаний после обнаружения на них скалывания керамического слоя (примерно 20 % общей площади образцов). Лопатки испытывали в течение 300 термоциклов (режим испытаний рабочих лопаток наземных тур- бин (47 МВт) от производителя). В процессе испытаний изучали кинетику окисле- ния связующего слоя и адгезию керамического по- крытия при различных материалах подложки: базо- вом сплаве и материале ремонтной наплавленной зоны. Оценивали интенсивность деградации ТЗП и диффузионные процессы, протекающие на межфаз- ных границах. Экспериментальные результаты. На рис. 1, а, б показано состояние торца рабочей лопатки после эксплуатации и полного цикла восстановления. В процессе комплексного ремонта не только отрестав- рировали поврежденный торец лопатки, но и нане- сли ТЗП для увеличения долговечности теплонаг- руженного изделия. Нанесение ТЗП с жаростойким связующим подслоем NiCoCrAlY является финиш- ным этапом ремонта рабочих лопаток. На этапе разработки восстановительного ремон- та рабочих монокристальных лопаток наземной тур- бины (45 МВт) выбрали и апробировали присадоч- ный материал (сплав PWA 795) – для аргоноду- говой импульсной наплавки торца пера. Данный материал обеспечил высокую жаростойкость швам, наплавленным способом TIG на монокристальном сплаве при высокотемпературных термоцикличес- ких испытаниях [3]. Его химический состав соответ- ствует следующей композиции, мас. %: Co—20Cr— 15Ni—4,4Al—0,2Ti—9W—3Ta—1,1Hf—(0,045...0,1)Y— 0,35C. Применение присадочного материала на ко- бальтовой основе способствовало обеспечению ми- нимальной скорости окисления наплавленных швов вследствие формирования прочной защитной ок- сидной пленки с высоким уровнем адгезионных ха- рактеристик. Рис. 2. Микроструктура поперечного сечения торца пера рабочей лопатки, сформированного способом наплавки TIG с жаростойким и теплозащитным покрытием: а – общий вид; б—г – фрагменты восстановленного торца пера 33 Рис. 3. Микроструктура ТЗП на торце рабочей лопатки, восстановленной способом наплавки TIG до (а, б) и после 300 ч тер- моциклических испытаний (в, г) Рис. 4. Эволюция основных зон ТЗП (а—е) при термоциклических испытаниях 34 Исходную микроструктуру отреставрированно- го торца лопатки изучали в продольном сечении верхней части пера со стороны выходной кромки (рис. 2). Получен качественный наплавленный шов на сплаве CMSX-4 с минимальным развитием зоны термического влияния (отсутствие пор, непроваров или кристаллизационных трещин). Шов формиро- вали на монокристалле при минимальных значениях скорости и вкладываемой мощности ведения процесса импульсной наплавки, благодаря чему получили плоский фронт кристаллизации, обеспечивающий создание условий направленной кристаллизации, по- зволяющих сохранить превалирующее направление роста монокристалла как минимум до половины вы- соты шва. В областях криволинейности фронта кристалли- зации (правая и левая части продольного сечения, соответствующие корыту и спинке лопатки) отме- чены единичные зерна случайной ориентации (ЗСО) – рис. 3, а, б. В никелевых сплавах наличие таких дефектов может вызвать развитие кристалли- зационных трещин при охлаждении или последую- щей термообработке. Однако швы, сформирован- ные с применением кобальтовых присадочных мате- риалов (сплава PWA-795), не подвержены возник- новению трещин, вызванных дисперсионным твер- дением (в отличие от в никелевых сплавов) даже при наличии ЗСО, возникающих в процессе крис- таллизации. Это показало, что наличие данных не- совершенств ростовой структуры не вызывает воз- никновения трещин в металле швов или ЗТВ при использовании кобальтовой присадки для свар- ки/наплавки никелевых монокристаллов [3]. Связующий слой и керамическое ТЗП на ремонт- ном наплавленном участке имеют хорошую адге- зионную прочность и характерную для электронно- лучевого осаждения структуру (рис. 2, 3). В усло- вии печных термоциклических испытаний при мак- симальной температуре 1100 °С конфигурация и це- лостность исследованной наплавленной зоны сохра- нялись. После 300 термоциклов, судя по структуре восстановленного торца пера, деградацию основы и наплавленного слоя не обнаружено (рис. 3). В ходе термоциклирования первое скалывание керамическо- го слоя (примерно 10 %) лопаток ТВД ГТД зафик- сировано после 126 термоциклов на сегменте лопатки без наплавленного слоя, т.е. с ТЗП на базовом сплаве. Все остальные образцы как с наплавленным швом, так и без такового простояли 300 термоциклов, показав удовлетворительную адгезию керамического пок- рытия с металлическим подслоем. ТЗП рассматривают как комплексную систему, состоящую из подложки – базового суперсплава, алюминийсодержащего связующего слоя между подложкой и ТЗП, термически выращенного оксид- ного слоя (TGO), а также собственно внешнего ке- рамического покрытия [4—7]. Все составляющие на- ходятся в тесной взаимосвязи между собой и при эксплуатации или термоциклических испытаниях подвергаются структурным изменениям, которые влияют на функциональные характеристики и дол- говечность ТЗП (рис. 4). Оксидная защитная пленка Al2O3 толщиной 0,7...1,1 мкм, сформировавшаяся в процессе элек- тронно-лучевого осаждения керамического слоя ZrO2—Y2O3 на межфазной границе связующий Рис. 5. Микротвердость основных зон ТЗП на наплавленном металле после 300 ч термоциклических испытаний (а—в, II) и до них (г—е, I) 35 слой/керамика, обеспечивает надежное сцепление металлического и керамического слоев, а также яв- ляется протектором для ограничения процессов внутренней диффузии и окисления компонентов на поверхности связующего слоя (рис. 4, г). TGO представляет собой стабильный оксид алюминия α- Al2O3, коэффициент диффузии кислорода через ко- торый является довольно низким. В процессе высокотемпературного окисления на воздухе алюминий из связующего слоя расходуется на поддержание гомогенности защитной пленки, вследствие чего происходит как увеличение ее тол- щины, так и образование под пленкой зоны обезле- гирования алюминием – однофазного γ-твердого раствора (рис. 4, г). Связующий жаростойкий подслой является зна- чимым компонентом системы ТЗП. Его химический состав, толщина, микроструктура и шероховатость поверхности влияют на долговечность ТЗП, гомо- генность и целостность защитной оксидной пленки в процессе окисления. Применяемое в серийном производстве связующее покрытие NiCoCrAlY обеспечивает эффективную защиту жаропрочных сплавов в условиях изотермического и циклическо- го окисления, отличается высоким значением сопро- тивления термической усталости. В исходном сос- тоянии связующий слой имеет равноосную двухфаз- ную структуру, состоящую из матричного γ-твердо- го раствора и жаростойкой β-NiAl-фазы (рис. 4, а). При высокотемпературных испытаниях диффу- зионные процессы в связующем слое и на границах в течение 300 термоциклов приводят как к огруб- лению β-фазы, так и частичному ее растворению. Именно β-NiAl-фаза является основным источни- ком алюминия для образования и поддержания защитной функции оксидной пленки Al2O3 на меж- фазной границе металл/керамика, ее доля влияет на долговечность покрытия при эксплуатации (рис. 4, а, в). Наплавленный слой имеет дендритную направ- ленную гетерофазную структуру и состоит из мат- ричного твердого раствора на основе кобальта, сет- ки карбидных фаз типа МеС (на основе тантала, гафния) и дисперсной жаростойкой β-NiAl-фазы (рис. 4, б). Облагораживание структуры металла наплавки в ходе высокотемпературных испытаний отражается в снижении значений микротвердости (от 4200 до 3500 МПа) вследствие растворения кар- бидных фаз МеС штриховой морфологии и выде- ления их в виде дискретных равноосных частиц раз- мером 0,5...1,5 мкм (рис. 5), β-фаза коагулирует и сохраняется в количестве, обеспечивающем жаро- стойкость ремонтной зоны после 300 термоциклов (рис. 4, д.) Как показано в работе [3], при импульсной на- плавке способом TIG глубина зоны термического влияния (ЗТВ) в монокристальном сплаве состав- ляла не более 30...50 мкм. Структурно это выража- лось в частичном растворении упрочняющей γ′-фа- зы в материале основы на глубину 15...20 мкм без какого-либо выделения вторичных фаз, что вызы- вало незначительное снижение микротвердости ме- талла приграничной зоны основы. Под воздей- ствием высокой температуры и активизации диф- фузионных процессов в ходе испытаний на линии сплавления основа/наплавка, особенно в местах выхода на поверхность междендритных областей первого порядка монокристалла, происходило ло- кальное выделение из твердого раствора дисперс- ных карбидных фаз на глубину около 20 мкм (рис. 4, е). Увеличение концентрации легирующих элемен- тов в жаростойком покрытии и сохранение после испытаний почти 80 об. % укрупненной жаростой- кой β-фазы вызвало повышение микротвердости по- крытия от 4100 до 4850 МПа (рис. 5). Это является позитивным для материала торца в случае, когда при эксплуатации происходит механическое воздей- ствие на перо рабочей лопатки, его истирание. В результате испытаний лопатки с ТЗП, нане- сенным на базовый сплав CMSX-4, установлено, что объем жаростойкой интерметаллидной фазы за 300 термоциклов уменьшился вдвое, кроме того, ее часть при расходе алюминия на создание и развитие оксидной пленки трансформировалось в γ′-фазу. Ширина зоны обезлегирования под пленкой Al2O3 составила 22...25 мкм. Это отразилось в умень- Рис. 6. Микротвердость основных зон ТЗП на основном металле (сплаве CMSX-4) до и после 300 ч термоциклов 36 шении микротвердости данной зоны до 3200... ...3500 МПа, по сравнению с 4100 МПа в начале испытаний (рис. 6). Показана эволюция межфазных границ системы ТЗП до (рис. 7, а, г) и после (рис. 7, б, в, д, е) термоциклических испытаний. Отмечано различие в состоянии межфазной границы (TGO) после вы- сокотемпературного окисления связующего слоя: образование развитой (прорастающей) оксидной пленки с хорошей адгезией толщиной 3,0...4,5 мкм при ТЗП на материале наплавки (рис. 7, б, 8, д) и гомогенной пленки толщиной 6...7 мкм с удовлет- ворительной адгезией, когда основой выступает сплав CMSX-4 (рис. 7, в). Интенсивность процес- сов, протекающих на внутренней границе сплав/связующий слой косвенно связана с интен- сивностью диффузионного взаимодействия на гра- нице с керамикой. Так, на границе металлического подслоя с основой образуется диффузионная зона, представляющая собой трехфазную область γ′-твер- дого раствора с выделениями γ-фазы и топологичес- ки плотноупакованные Р-фазы на основе трения и вольфрама [8] (рис. 7, е). Межфазная граница по- крытия с материалом наплавки развита незначи- тельно и представляет собой твердый раствор без каких-либо включений (рис. 7, д). Анализ состояния ТЗП ZrO2—Y2O3 на различ- ных подложках, т.е. на сплавах монокристальном CMSX-4 и наплавленном PWA795, показал, что про- цессы окисления на межфазной границе со связу- ющим слоем более интенсивно протекают в первом случае. Об этом свидетельствуют прежде всего тол- щина TGO примерно 6...7 мкм (рис. 8, е) и ширина обезлегированной зоны шириной 22...25 мкм. Ма- лая объемная доля грубой β-фазы и наличие выде- лений γ′-фазы в γ-твердом растворе указывают на исчерпание защитных свойств жаростойкого связую- щего слоя и снижение его сопротивления против термоциклического окисления после 300 термоцик- лов (рис. 8). Оксидная пленка TGO после испы- таний в течение 300 термоциклов имеет недостаточ- ную адгезию с металлическим подслоем и в процессе изготовления микрошлифов скалывается вместе с керамическим теплозащитным слоем (рис. 8, б, г). В области ремонтной зоны при нанесении ТЗП и связующего слоя на материал наплавки пленка α-Al2O3 надежно защищает связующий слой даже после подрыва керамики при порезке образцов (рис. 8, а, в). Она достаточно прочно сцеплена с материалом подслоя в результате прорастания в него, ее толщина составила меньше 4 мкм. В процессе термоциклических испытаний в свя- зующих слоях ТЗП происходят структурные изме- нения, вызванные активными диффузионными про- цессами, различающимися на основном сплаве и ма- териале наплавки (рис. 9, табл. 1). После 300 тер- моциклов количество кобальта в связующем слое, диффундирующего из кобальтовой наплавки, уве- личивается от 23 до 36...40, а хрома – до 20 мас. %, что не зафиксировано на основном сплаве. Таким образом, состав нанесенного на лопатку покрытия NiCoCrAlY трансформируется в CoNiCrAlY. Долговечность ТЗП, полученных способом элек- тронно-лучевого осаждения, при циклическом вы- сокотемпературном окислении определяется пре- имущественно составом связующего слоя и содер- жанием кобальта [7]. Введение кобальта в покры- тия MeCrAlY стабилизирует γ- и β-фазы внутри большого температурного интервала, таким обра- зом подавляя образование γ′-Ni3Al-фазы, которая формируется из γ-твердого раствора при темпера- туре ниже 1000 °С в тройной системе. Данная тран- сформация ассоциируется с увеличением темпера- турного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) связующего слоя [9] и может приводить к развитию высоких термических напряжений в плен- Рис. 7. Состояние межфазных границ связующий слой/керамика (а—в) и основа/связующий слой (г—е) до (а, г) и после (б, в, д, е) испытаний 37 ке при охлаждении. В покрытиях CoNiCrAlY дости- гается лучшая адгезия защитной пленки, чем в по- крытиях NiCoCrAlY, что обусловлено фазовой ста- бильностью системы CoNiCrAlY в температурном интервале 800...1100 °С [10]. Повышение концент- рации кобальта в покрытиях CoNiCrAlY способст- вует увеличению растворимости хрома в γ-Ni мат- рице, затрудняя формирование хрупкой γ-Cr-фазы, которая наряду с γ′-фазой снижает сопротивление ползучести покрытий и оказывает отрицательное воздействие на их механические свойства (преиму- щественно усталость). В покрытиях CoNiCrAlY интерметаллидная ит- трийсодержащая фаза Ni(Co)Y имеет большую ста- бильность при температуре 1000 °C, чем фаза Ni(Y) в покрытиях на основе никеля [9]. В результате диффузия иттрия к поверхности в кобальтовых по- крытиях во время высокотемпературной выдержки замедляется, что обеспечивает лучшую адгезию за- щитной пленки на CoNiCrAlY даже при более вы- соком содержании иттрия. Долговечность покрытий CoNiCrAlY существен- но выше, чем NiCoCrAlY. Это определяется их большей структурной стабильностью, следователь- но, меньшим значением ТКЛР связующего слоя, а также снижением несоответствия ТКЛР системы ТЗП. В результате уровень напряжений, возникаю- щих в оксидной пленке при охлаждении, снижается и увеличивается срок службы покрытий [7]. После испытаний в связующем слое обнаружи- вались такие элементы, как тaнтал, вольфрам, гаф- рий, продиффундировавшие из материала кобальто- вой наплавки или сплава (табл. 1, рис. 9). Тантал улучшает предел текучести и сопротивление окисле- Рис. 8. Адгезия и структура TGO на металлическом подслое после 300 термоциклов испытаний на наплавленном материале (а, в, д) и материале основы (б, г, е) 38 нию покрытий MCrAlY, а вольфрам повышает жа- ропрочность матричного γ-твердого раствора [11, 12]. Малые добавки таких активных элементов, как гафний, цирконий, иттрий, лантан, церий, значи- тельно повышают сопротивление против высоко- температурного окисления. Основное полезное дей- ствие этих элементов состоит в улучшении адгезии оксидной пленки и снижении скорости ее роста [13]. Гафний (1,1 % в наплавке) является важным леги- рующим элементом, поскольку он повышает проч- ность, вязкость разрушения и жаростойкость мате- риала. В работе [12] показано, что 0,15...0,7 % гаф- ния достаточно для улучшения окислительной стой- кости, сопротивления коррозии и улучшения долго- вечности ТЗП в целом. Гафний как активный эле- мент также подавляет рост метастабильной моди- фикации Al2O3 [13]. Отличаясь наибольшим, как и иттрий, сродст- вом к кислороду продиффундировавший из наплав- ки гафний обнаруживается и в составе TGO, и в ме- талле приповерхностной зоны связующего слоя (рис. 10, табл. 2). Можно отметить положительное влияние гафния в обеспечении адгезии и защитных свойств пленки Al2O3 на связующем слое (рис. 7, б, 8, в, д). После 300 ч термоциклических испытаний свя- зующее покрытие можно рассматривать как систе- му, микролегированную гафнием и/или иттрием (из наплавки), по сравнению с обычным покрытием на основном сплаве CMSX-4. В первом случае раз- витая пленка TGO имеет хорошее сцепление с ме- таллической подложкой и надежно защищает даже при скалывании поверхностного слоя керамики при порезке, во втором, – TGO имеет хорошую адге- зию с ТЗП и отслаивается вместе с керамикой, ого- ляя таким образом металл (рис. 8, б, г, е). Гафний концентрируется преимущественно на поверхности покрытия в виде оксидов (светлых фаз), образующихся в процессе окисления. Струк- туры TGO на модифицированном покрытии под- тверждают тот факт, что активные элементы (ит- трий, гафний, цирконий) образуют сегрегации в ви- де соединений под пленкой TGO, а избирательное окисление их на внешней поверхности связующего слоя приводит к формированию локальных прикре- плений, обеспечивающих механическое сцепление защитной пленки (и керамики) с подслоем, тем Т а б л и ц а 1 . Химический состав зон ТЗП на сплавах CMSX-4 и PWA-795 до и после термоциклических испытаний № спектра Al Cr Co Ni Y Ta W Re Ti Исходное состояние ТЗП на CMSX-4 (рис. 9, а) 1 10,98 13,46 23,42 52,15 — — — — — 2 10,82 13,46 23,54 52,18 — — — — — 3 11,02 13,48 23,85 51,66 — — — — — 4 10,1 14,43 24,82 50,44 0,2 — — — — Состояние ТЗП после 300 термоциклов на PWA-795 (рис. 9, б) 1 11,47 12,95 27,62 45,5 — — 2,45 — — 2 4,26 20,3 36,2 33,88 — 0,45 4,9 — — 3 4,55 20,23 34,37 36,47 — 0,87 3,51 — — 4 3,67 20,43 40,03 26,04 — 2,54 7,29 — — 5 16,1 7,21 21,92 52,8 — 0,74 1,23 — — 6 16,43 7,3 21,82 52,54 — 0,61 1,3 — — Cостояние ТЗП после 300 термоциклов на CMSX-4 (рис. 9, в) 1 10,0 10,88 19,01 57,55 — 1,12 1,44 — — 2 6,18 14,06 21,85 53,31 — 1,2 3,05 — 0,33 3 6,37 14,39 22,6 54,55 — — 2,09 — — 4 6,39 5,56 11,99 56,52 — 6,02 8,24 4,62 0,65 5 16,41 5,41 13,66 64,13 — — — — 0,39 6 16,85 5,45 12,95 64,75 — — — — — Рис. 9. Зоны ТЗП на сплавах CMSX-4 и PWA-795, в которых измерялся химический состав до и после термоциклических испытаний 39 самым улучшая ее адгезионную прочность [11, 14]. Формирование неравномерной границы раздела связующий слой/TGO может увеличивать сопроти- вление против распространения трещины при тер- моциклических испытаниях ТЗП. Малые добавки иттрия (0,1...0,5 мас. %) как активного элемента, обычно присутствующего в по- крытии MeCrAlY, улучшают адгезию TGO. Однако иттрий, вводимый в больших концентрациях, уве- личивает скорость роста оксидной пленки за счет того, что частицы, образующиеся (внедряемые) в пленке, становятся короткими «тропами» для про- никновения кислорода на границу с металлическим подслоем. Значительное содержание иттрия влияет на формирование различных выделений смешан- ных оксидов Y—Al по границам зерен оксидной пленки, таких как Y3Al5O12 (YAG – иттрийалю- миниевый гранат) и YAlO3 (YAP – иттрийалюми- ниевый перовскит). С одной стороны, эти иттриевые алюминаты, располагаясь под пленкой TGO, оказывают отрица- тельное влияние на адгезию и целостность оксидного слоя при теплосменах из-за различия ТКЛР с Al2O3. C другой стороны, положительное влияние Y—Al оксидных частиц заключается в обеспечении надеж- ной адгезии пленки со связующим слоем. Поэтому оптимальная концентрация иттрия в покрытии явля- ется очень важным фактором для поддержания за- щитной функциональности оксидной пленки [7]. Морфология пленки на немодифицированном покрытии (на материале основы) отличается боль- шей гомогенностью состава, преимущественно Al2O3, толщиной 6...7 мкм и низкой адгезией со связующим слоем. В верхней части пленки обнару- живаются светлые иттрийсодержащие выделения, Рис. 10. TGO на сплавах CMSX-4 и PWA-795 до и после термоциклических испытаний Т а б л и ц а 2 . Химический состав TGO и прилегающих областей ТЗП на сплавах CMSX-4 и PWA-795 до и после тер- моциклических испытаний № спектра O Al Cr Co Ni Y Zr Hf W Исходное состояние ТЗП на CMSX-4 (рис. 10, а) 1 — 10,83 13,55 24,08 51,55 — — — — 2 — 6,68 19,73 30,02 43,44 0,13 — — — 3 18,46 20,98 12,87 18,21 22,02 7,46 — — — 4 37,01 22,23 2,96 3,32 4,36 4,98 25,14 — — 5 — 11,07 13,61 23,69 51,62 — — — — 6 — 5,75 20,41 31,16 42,67 — — — — 7 29,3 33,43 8,26 11,73 13,66 3,62 — — — Состояние ТЗП после 300 термоциклов на PWA-795 (рис. 10, б) 1 — 17,10 7,45 22,39 53,06 — — — — 2 — 5,01 19,94 34,71 35,72 0,18 — 0,61 3,84 3 — 5,33 20,26 34,86 35,67 — — 0,20 3,69 4 48,88 49,32 — — — 0,75 — 1,05 — 5 32,13 13,31 3,74 5,54 5,53 — — 39,75 — 6 55,95 31,49 — 0,28 0,29 8,19 — 3,80 — 7 52,76 21,88 0,56 0,59 0,87 4,89 17,75 0,70 — Cостояние ТЗП после 300 термоциклов на CMSX-4 (рис. 10, в) 1 50,45 47,95 — — — 1,60 — — — 2 49,26 50,07 — — 0,47 0,21 — — — 3 50,27 49,58 — — — 0,15 — — — 4 48,27 37,62 — — 0,39 13,72 — — — 5 49,14 47,17 — — — 3,69 — — — 6 49,27 33,81 0,56 0,95 1,51 4,61 9,28 — — 7 48,60 36,5 0,46 — 0,44 7,72 6,29 — — 40 которые, скорее всего, образовались в начальный момент окисления (рис. 8, е). Поскольку на поверх- ности связующего слоя после отслаивания TGO не обнаружено остатков иттриевых алюминатов (игл), то, вероятно, резерва иттрия было недостаточно в составе покрытия для сохранения удовлетворитель- ной адгезии пленки при термоциклировании или связующий слой исчерпал свой ресурс по алюминию в процессе испытаний [12, 14, 15]. При микролегировании связующего слоя гафни- ем и иттрием из наплавки в ходе высокотемператур- ных циклических испытаний изменяется структура TGO – она переходит из общепринятой столбчатой в равноосную мелкозернистую, т.е. происходит мо- дифицирование структуры пленки [9, 16]. Диффузионные процессы наиболее активно про- текают по границам зерен, а значит, и интенсивнее в случае мелкого зерна. Согласно полученным дан- ным, процесс очисления покрытия при наличии гафния происходит медленнее, следовательно, ско- рость роста пленки TGO снижается на 30...35 %. Возникающее противоречие можно объяснить тем, что мелкие моноклинные частицы HfO2 декорируют границы в тройных точках внутри пленки α-Al2O3, т.е. увеличивают сопротивление ползучести TGO пос- редством упрочнения границ. Такие выделения час- тиц по границам зерен пленки предполагают тормо- жение диффузии элементов вдоль этих границ (в том числе кислорода) ввиду большого атомного радиуса гафния. По этой причине скорость роста пленки будет значительно снижена. (Скорость диффузии кислоро- да сквозь пленку при наличии иттрийсодержащих частиц – значительно выше). При термоциклических испытаниях долговеч- ность ТЗП определяется последовательным заро- ждением, распространением и слиянием микротре- щин на межфазной границе, накопление которых предшествует отслоению и полному скалыванию от подложки больших объемов керамического покры- тия [4, 17]. Разрушение непосредственно связано с высоким (3...6 ГПа) уровнем остаточных сжимаю- щих напряжений в TGO, возникающих первона- чально из-за несоответствия коэффициентов терми- ческого расширения керамики и материала подлож- ки. Эти напряжения появляются в процессе роста TGO в начальный период окисления и составляют менее 1 ГПа [4—7]. Поскольку TGO подвергается в ходе испытаний большому плоскостному сжатию, особенно при охлаждении, то тонкая оксидная плен- ка стремится к релаксации этих напряжений по- средством растяжения и искривления поверхности при упругопластической деформации связующего слоя [4, 6]. Эти перемещения вызывают растяги- вающие напряжения, направленные по нормали к границе раздела (рис. 11). Напряжения релакси- руются ползучестью или возникновением волнисто- сти границы раздела. Волнистость (морщинистость) TGO является важной микроструктурной особенностью, обуслов- ленной печными термоциклическими испытаниями ТЗП. Для монокристального сплава CMSX-4 волнис- тость в основном возникает на границе TGO/связую- щий слой. В ходе циклического окисления и до- стижения TGO критической толщины в вершинах волнистой пленки образуются зародыши микро- трещин со стороны связующего слоя, которые, рас- пространяясь и объединяясь, вызывают скалывание керамического слоя. Это происходило в случае на- несения ТЗП на основной сплав (рис. 8, г, 9). Однако в случае нанесения ТЗП на наплавлен- ный материал в процессе микролегирования связу- ющего слоя гафнием (иттрием) волнистость TGO подавляется и отмечается существенное улучшение долговечности ТЗП (рис. 8, а, в, д). Эта особен- ность рассмотрена в работах [12, 14, 15, 18, 19]. В связующем слое с повышенным (за счет модифици- рования активным элементом гафнием) пределом текучести могут уменьшаться или предотвращаться амплитудные изменения морщинистости поверх- ности в процессе термоциклирования [20]. Установ- лено, что для микролегированного гафнием и ит- Рис. 11. Схема начала разрушения ТЗП при термоциклических испытаниях [3]: 1 – связующий слой; 2 – отслоение; 2b – ширина отслоившегося участка Рис. 12. Кинетика роста защитной пленки α-Al2O3 (1, 2) и глубины δ обезлегирования связующего слоя под пленкой (3, 4) на лопатке из сплава CMSX-4 в процессе термоциклических испытаний: 1, 3 – ТЗП на сплаве PWA-795; 2, 4 – ТЗП на сплаве CMSX-4 41 трием подслоя уровень остаточных сжимающих на- пряжений внутри модифицированного TGO значи- тельно ниже и остается относительно постоянным в ходе всего испытания ТЗП как результат подав- ления волнистости. Поскольку в случае легирова- ния металлического подслоя гафнием (и иттрием) обнаруживается снижение скорости роста защитной пленки на 30 %, а уменьшение TGO должно сокра- щать уровень энергии растягивающих напряжений, то снижается тенденция к возникновению волнис- тости и скалыванию TGO + ТЗП. Значения сжимающих остаточных напряжений внутри TGO постепенно уменьшаются как времен- ная функция термоциклических испытаний ТЗП на сплаве CMSX-4. Это постепенное снижение свиде- тельствует о том, что возникновение волнистости TGO приводит к релаксации сжимающих остаточ- ных напряжений внутри пленки. Значение ТКЛР покрытий (Ni, Pt) Al составляет примерно 13⋅10—6 К—1, что значительно ниже, чем у стандартных покрытий MeCrAlY (18...22)⋅10—6 К—1 в температурном интервале 400...1000 С [10]. Сле- довательно, остаточные напряжения, возникающие в защитной пленке, в результате несоответствия зна- чений ТКЛР Al2O3 (7...8)⋅10 —6 К—1 и связующего слоя будут выше у покрытий MeCrAlY, чем у (Ni, Pt) Al, поэтому и релаксационная волнистость TGO будет больше. В работах [12—18] рассматривается положительное влияние модифицирования гафнием и иттрием (Ni, Pt) Al связующих слоев на подавление волнистости и увеличение долговечности ТЗП. Улучшение долговечности ТЗП на микролегиро- ванном гафнием (из наплавки) связующем слое свя- зано с подавлением волнистости границы связую- щий слой/TGO, что, собственно, включало такие процессы, как снижение скорости роста оксидной защитной пленки; улучшение сопротивления пол- зучести за счет зернограничного упрочнения части- цами оксидов HfO2, пограничную адгезию пленки в результате образования сегрегаций Hf/Hf4+. В ходе проведения исследований показано, что при легировании связующего слоя компонентами из материала наплавки уменьшалась не только ско- рость окисления TGO за счет стабилизации струк- туры, но и значения напряжений в оксидной пленке ввиду снижения ТКЛР металлического подслоя в процессе термоциклических испытаний. Все это способствовало увеличению долговечности ТЗП на материале наплавки, по сравнению с ТЗП на базо- вом сплаве лопатки. График кинетики окисления связующего слоя, характеризующий толщину за- щитной пленки и ширину зоны обезлегирования связующего слоя наглядно иллюстрирует большую функциональность и долговечность системы ТЗП на высоколегированном жаростойком кобальтовом сплаве PWA 795, применяемом в качестве наплавки (рис. 12). Использование данного сплава не только обеспечило жаростойкость и прочность восстанов- ленного наплавкой TIG торца лопатки, но также способствовало облагораживанию химического сос- тава и структуры как связующего слоя ТЗП, так и защитной оксидной пленки TGO. Активный компонент наплавки гафний, диф- фундирующий в связующий слой, обеспечивает хо- рошую адгезию TGO, модифицирует его и способ- ствует замедлению процесса окисления ТЗП при высокотемпературных циклических испытаниях, уменьшая роль (значимость) процентного содержа- ния иттрия в исходном содержании металлического подслоя. Таким образом, в результате исследований ус- тановлено, что выбранный материал наплавки (сплав PWA 795) обеспечивает не только формиро- вание качественных ремонтных швов с высокой прочностью и жаростойкостью при температуре экс- плуатации рабочих лопаток 1100 °С, но также хо- рошо сочетается с металлическим подслоем ТЗП, улучшая его химический состав и функциональные характеристики в условиях высокой температуры. Выводы 1. Проведены исследования циклической долговеч- ности ТЗП системы YSZ на материале базового сплава – монокристальном CMSX-4 и кобальтовом сплаве PWA 795, применяемом в качестве наплав- ляемого материала при восстановлении поврежден- ного торца пера рабочей лопатки. 2. Установлено, что после 300 термоциклов печ- ных циклических испытаний ТЗП, нанесенное на материал наплавки, имеет больший запас долговеч- ности, чем покрытие на базовом сплаве, т.е. процесс окисления и деградации ТЗП в данном случае про- текает медленнее, а скорость роста TGO снижена на 30 % по сравнению с базовым сплавом. 3. Показано, что выбранный в качестве наплавки кобальтовый сплав не только обеспечивает жаро- стойкость и прочность восстановленного способом наплавки TIG торца лопатки, но и способствует изменению химического состава связующего слоя NiCoCrAlY при высокотемпературных испытаниях в сторону CoNiCrAlY, что вносит положительный эффект в повышение структурной стабильности системы, замедляя таким образом высокотемпера- турное окисление и деградацию ТЗП. 4. В результате испытаний подтверждено поло- жительное влияние микролегирования активным компонентом – гафнием – наплавляемого сплава на улучшение адгезионной прочности TGO + кера- мического и связующего слоев благодаря измель- чению зерна оксидной пленки, ее упрочнения оксид- ными частицами по границам зерен и за счет обра- зования сегрегаций под TGO, которые выступают как связующие звенья между металлическим подс- лоем и пленкой. Авторы статьи выражают благодарность док- тору технических наук И. С. Малашенко за ква- лифицированную помощь в работе. 1. Shukin S., Annerfeldt M., Bjorkman M. Siemens SGT-800 industrial gas turbine enhanced to 47MW. Design modifica- tions and operating experience // Proc. of ASME Turbo Expo 2008: Power for Land, Sea and Air GT2008. – Ger- many, 2008. – Р. 1—6. 2. Fact sheet: SGT5-8000H gas turbine/www.siemens.com/ press/energy/innovationaward. 3. Белявин А. Ф., Куренкова В. В., Федотов Д. А. Долго- вечность наплавленных ремонтных швов на никелевом жаропрочном сплаве CMSX-4 в условиях циклического окисления // Автомат. сварка. – 2014. – № 2. – С. 13—25. 4. Mechanisms for the failure of electron beam physical vapor deposited thermal barrier coatings induced by high tempera- 42 ture oxidation, in elevated temperature coatings: science and technology / M. J. Stiger, N. M. Yanar, F. S. Pettit, G. H. Meier // The Minerals & Materials Society. – 1999. – № 9. – P. 51—65. 5. Mechanics controlling the durability of thermal barrier coa- tings / A. G. Evans, D. R. Mumm, J. W. Hutchinson et al. // Progress in materials science. – 2001. – 46 (5). – P. 505—553. 6. Creep effects on the spallation of an alumina layer from a NiCoCrAlY coating / H. E. Evans, A. Strawbridge, R. A. Carolan, C. B. Ponton // Materials Science and En- gineering. – 1997. – A225. – P. 1—8. 7. Evans A., Wang J., Mum D. Mechanism-based life predicti- on issues for thermal barrier coatings // Thermal barrier coating workshop, NASA/CP-1998-207429. – 1997. – P. 45—52. 8. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов / Р. Е. Шалин, И. Л. Светлов, Е. Б. Качанов и др. – М.: Машиностроение, 1997. – 336 с. 9. Modelling of phase equilibria in MCrAlY coating systems / D. Achar, R. Munoz-Arroyo, L. Singheiser, W. J. Quadak- kers // Surface and Coatings Technology. – 2004. – 187, Is. 2, 3. – P. 272—283. 10. Influence of composition and processing on the oxidation be- havior of MCrAlY-coatings for TBC applications. Juan Tos- cano Schriften des Forschungszentrums JьlichReihe Energie & Umwelt // Energy & Environment Band. – 2009. – 28. – Р. 187. 11. Bestor M. A. Investigation of the effect of hafnium and chromium addition on the microstructures and short-term oxidation properties ofI DC: magnetron sputtered β-NiAl bond coats deposited on Ni-based supperalloys: Dis., 2010. – P. 190. 12. Pat. EP 2483432 A1. Super oxidation and cyclic damage re- sistant nickel-base superalloy and articles formed theref- rom/ B. T. Hazel, K. S. O’hara. – Publ. 8.12.2010. 13. Song P. Influence of material and testing parameters on the lifetime of TBC systems with MCrAlY and NiPtAl bondco- ats: Dis, 2011. – 136 p. 14. Fritscher K., Schulz U., Leyens C. Lifetime-determining spalling mechanisms of NiCoCrAlRE / EB-PVD zirconia TBC systems // Materialwissenschaft und Werkstofftech- nik. – 2007. – 38, Is. 9. – P. 734—746. 15. Liu J. Mechanisms of lifetime improvement in thermal bar- rier coatings with hafnium and/or yttrium modification of CMSX-4 superalloy substrates: Dis., 2007. – 209. 16. Development of improved bond coat for enhanced turbine durability / B. Hazel, J. Rigney, M. Gorman et al. // Supperalloys TMS, 2008. – P. 753—760. 17. Bond strength, bond stress and spallation mechanics of ther- mal barrier coatings / M. Gell, E. Jordan, K. Vaidyanat- han et al. // Surfuce and Coating Technology. – 1999. – 120—121. – P. 53—60. 18. Мак-Линн М. Механические свойства жаропрочных спла- вов и эвтектик направленной кристаллизации // Жаро- прочные сплавы для газовых турбин. – М.: Метал- лургия, 1981. – С. 212—236. 19. Liu J. Effects of bond coat surface preparation thermal cyc- ling lifetime and failure characteristic of thermal barrier co- atings: Dis., 2002. – P. 128. 20. Karlsson A. M., Evans A. G. A numerical model for the cyclic instability of thermally grown oxides in thermal bar- rier system // Acta Mater. – 2001. – № 49. – P. 1793—1804. Evaluated was a cyclic fatigue life of heat-protective coating ZrO2—Y2O3 on cobalt alloy PWA 795, used as a surfaced material in restoration of damaged edge of blade airfoil of on-land GTU, manufactured of single-crystal alloy CMSX-4. It was found that after 300 thermal cycles of furnace cyclic tests the heat-protective coating, deposited on surfaced material, has a larger margin of life than the coating of the base alloy. At long-time high-temperature effect the change of chemical composition of bond coating NiCoCrAlY occurs to the side of CoNiCrAlY, that provides a positive effect in the increase of structural stability of the system, thus delaying the process of high-temperature oxidation and degradation of heat-protective coatings, and the growth of TGO is reduced by 30 % as compared with the base alloy. The positive effect of microalloying by an active component (hafnium) of alloy being surfaced for improvement of adhesion strength TGO and bond layer was confirmed. 20 Ref., 12 Figures. K e y w o r d : single-crystal alloy; surfacing, heat-protective coating; TGO; zone without alloying; microalloying; suppression of waveness; modifying; grain-boundary hardening Поступила 20.01.2015 43

Термическая долговечность теплозащитного покрытия на монокристальной лопатке после восстановления торца пера наплавкой TIG

Institution

Ähnliche Einträge