Уплотнительные покрытия

Выбор материала покрытия.

Выполняется на основе учета следующих основных положений:

- условия эксплуатации детали или узла (температура, условия контакта, среда и др.);

- химическая и металлургическая совместимость материалов покрытия и подложки, определяющая прочность сцепления и отсутствие электрохимического взаимодействия;

- возможность нанесения покрытия на данный материал выбранным способом с обеспечением равномерности толщины, требуемой структуры и необходимого комплекса свойств;

физико-механическая совместимость т.е. близость физических и механических свойств материалов покрытия и подложки, в частности, модулей упругости, твердости, коэффициента термического расширения;

Характерной особенностью покрытий является наличие выраженной границы между наносимым материалом и подложкой. На этой границе, вследствие различия в модулях упругости базового материала и материала покрытия, при действии внешних нагрузок или наличия остаточных напряжений возникают касательные сдвигающие напряжения t_E величина которых, при размере детали значительно большем толщины покрытия, может быть определена из соотношения:

где e - величина относительной деформации; E₁, E₂ –модули упругости материалов покрытия и подложки соответственно; m₁, m₂ – коэффициента Пуассона материалов покрытия и подложки.

Из этого выражения следует, что величина напряжений t_E линейно возрастает с увеличением толщины покрытия. Она тем выше, чем больше разница в упругих характеристиках материалов подложки и покрытия.

При нагреве детали с покрытием на их границе возникают касательные напряжения t_T, являющиеся следствием различия в коэффициентах термического расширения.

где DT – изменение температуры; a₁, a₂ – коэффициенты термического расширения материалов покрытия и подложки соответственно.

Кроме перечисленных факторов, величина этих напряжений зависит от величины изменения температуры и различия в коэффициентах термического расширения материалов покрытия и подложки.

Наличие касательных напряжений является одной из основных причин отслоения покрытия от подложки в процессе эксплуатации деталей.

Уплотнительные покрытия.

Уменьшением величины зазоров между лопатками и кожухом двигателя может быть достигнуто повышение его эффективности на 5%. Одним из путей обеспечения этого является нанесение на внутреннюю поверхность деталей статора уплотнительных покрытий, которые в результате изнашивания при взаимодействии и лопатками вращающегося ротора, формируют минимальный зазор. Применение уплотнительных покрытий одновременно может решить проблему защиты от воздействия высоких температур, достигающих 1200ºC

Использование уплотнительного (срабатываемого) покрытия для минимизации зазора между торцом лопатки и элементами корпуса двигателя

Места нанесения уплотнительных покрытий для минимизации зазора между торцом лопаток и элементами корпуса двигателя

Уплотнительные покрытия должны иметь малое сопротивление изнашиванию при сравнительно высокой прочности и жаростойкости. Эффективная величина зазора должна сохраняться в течении ресурса работы двигателя. Этот комплекс свойств достигается специфическим строением многокомпонентных материалов, свойствами используемых связок, пористостью, технологией нанесения покрытий. Тот или иной материал назначается в зависимости от действующих температур.

а – композиционные полимерные материалы; б – титановые сплавы; в – стали; г – сплавы на никелевой и кобальтовой основах; д – сплавы с направленной кристаллизацией; е – сплавы с монокристаллической структурой, ж – оксидно-дисперсно-упрочненные сплавы. 1 – полимеры; 2 – полимеры с наполнителем из алюминийкремниевых сплавов или Al - BN; 3 – композиция металл –твердая смазка (Ni – 25%C); 4 – пористые композиции Ме – Сr, Al, Y; 5 – керамические материалы (ZrO₂ – Y₂O₃)

В ФНПЦ ММПП «Салют» в качестве уплотнительных покрытий, работающих до температур порядка 550ºC, используется материал АНБ исходные гранулы которого содержат 18…23% BN, 4…8% SiO₂, остальное алюминий. При более высоких температурах применяется уплотнительное покрытие УВС-2. Нанесение уплотнительного покрытия АНБ производится методом плазменного порошкового напыления. Для увеличения прочности сцепления покрытия с основой на подложке создается нарезка типа рваной резьбы, реализующая замковый (анкерный) эффект и газопламенным способом наносится подслой толщиной 0,1…0,2 мм самофлюсующегося материала ВКНА (ПН75Ю23В).

Покрытие УВС-2 наносят газопламенным способом. Исходный материал выпускается в виде стержней.

Жаростойкие покрытия.

Газовой коррозией называют процесс коррозионного разрушения металлов и сплавов в газовых потоках при высоких температурах. Газовой коррозии подвержены многие детали горячего тракта авиационных двигателей: детали камеры сгорания, лопатки последних ступеней компрессора и газовой турбины, сопла, форсажной камеры и др. Основными компонентами газового потока являются продукты сгорания горючего. Это оксиды азота и углерода (NO_x, CO₂), H₂O, несгоревшие фракции горючего С_xH_y. Избыточная подача воздуха обеспечивает окислительную среду продуктов сгорания. В потоке газа присутствуют также продукты окисления топливных примесей, частицы и соединения, поступающие с воздухом (соединения серы, соли натрия, калия и кальция, пары морской воды и т.д.). Состав и концентрация соединений газового потока зависят от условий эксплуатации и уровня рабочих температур в камере сгорания.

Основной причиной разрушения деталей горячего тракта двигателя является высокотемпературное окисление, которое может усугубляться параллельным протеканием других химических реакций (с серой, солями щелочных металлов, легкоплавкими оксидами и проч.). Свойство материалов сопротивляться высокотемпературному окислению называют жаростойкостью. Высокотемпературное воздействие кислорода на поверхности деталей может приводить к потере материала вследствие образования и отслаивания окисных пленок, внутреннему окислению, возникающему в результате диффузии кислорода по границам зерен, образованию твердых растворов и соединений кислорода с компонентами сплавов. Итогом этого является снижение прочности и уровня механических свойств материала, в частности, пластичности. Совместное воздействие окисления диффузионных процессов и механических нагрузок приводит к образованию в поверхностном слое микротрещин, пор, зон с различной твердостью и прочностью и других концентраторов напряжений.

Свойствами окисных пленок, определяющими их защитную способность, являются:

- Сплошность. Сплошные пленки возникают в тех случаях, когда объем образовавшегося окисла больше объема окисленного металла V_MeO / V_Me > 1;

- Пористость. Многие металлы (Fe, Ti, Zr, Nb, Ta, Hf, W, Mo и др.) образуют пористые проницаемые окисные пленки не обеспечивающие необходимой защиты от высокотемпературного окисления;

- Различие в коэффициентах термического расширения окисла и основного металла. При колебаниях температуры, характерных для условий работы ГТД, в результате различия в коэффициентах термического расширения возникает растрескивание и отслоение окисных пленок;

- Различие в значениях модуля упругости окисла и основного металла;

- Толщина окисной пленки. Толстые окисные пленки, образующиеся в условиях высокотемпературного окисления, являются более пористыми, чем тонкие и имеют повышенную концентрацию дефектов;

- Физико-химические свойства. Некоторые окислы при высоких и повышенных температурах становятся летучими (CrO₃, MoO₃), расплавляются (V₂O₅) или подвергаются дальнейшему окислению (Cr₂O₃ ® CrO₃).

Из всего многообразия оксидов металлов наибольшими защитными свойствами обладают Al₂O₃ , Cr₂O₃ , SiO₂ . По этой причине Al, Cr и Si являются базовыми элементами, используемыми в жаростойких покрытиях.

Наиболее острой является проблемой защиты от высокотемпературной коррозии никелевых сплавов, наиболее широко применяемых для изготовления деталей горячего тракта ГТД. В настоящее время для этих целей широко используются покрытия систем Ме (Ni, Co) – Cr – Al – Y, Al – Si – Ni – Y.

Основой большинства покрытий, применяемых для защиты лопаток газовых турбин, является жаростойкая фаза b-NiAl. Для повышения ее стабильности в состав покрытия дополнительно вводятся легирующие элементы (Ta, Hf, Y, Si и др.). Введение иттрия позволяет устранить порообразование в покрытии в процессе эксплуатации и увеличивают адгезию верхней окисной пленки. Некоторые добавки позволяют увеличить пластичность покрытия, что является важным условием его работоспособности.

Деградация покрытия протекает в результате развития диффузионных процессов, приводящих к окислению b-NiAl с ростом окисной пленки и постепенному обеднению материала покрытия жаростойкими компонентами, что влечет ухудшение условий залечивания разрушений защитного слоя. Следует отметить, что обеднение материала покрытия жаростойкими компонентами может быть вызвано их диффузионным рассасыванием в подложку. В качестве диффузионных барьеров, препятствующих такому рассасыванию, используются слои из тугоплавких металлов (W, Ta, Nb), обладающих малой диффузионной подвижностью, и благородные металлы (Pt, Pd, Ir).

Развитие повреждения жаростойкого покрытия. а – исходное покрытие; б - покрытие после наработки

Для получения жаростойких покрытий используются различные способы:

- диффузионное насыщение (порошковое и шликкерное алитирование и алюмосилицирование, хромоалитирование, хромирование и силицирование);

- способы PVD (дуговое, магнетронное и электроннолучевое испарение с последующей конденсацией);

- плазменное и сверхзвуковое газопламенное напыление и др.