Статья:

Технологии нанесения теплозащитных покрытий на поверхности деталей горячего тракта ГТД

Конференция: XVII Студенческая международная научно-практическая конференция «Технические и математические науки. Студенческий научный форум»

Секция: Технические науки

Выходные данные
Туль П.А. Технологии нанесения теплозащитных покрытий на поверхности деталей горячего тракта ГТД // Технические и математические науки. Студенческий научный форум: электр. сб. ст. по мат. XVII междунар. студ. науч.-практ. конф. № 6(17). URL: https://nauchforum.ru/archive/SNF_tech/6(17).pdf (дата обращения: 28.06.2022)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

Технологии нанесения теплозащитных покрытий на поверхности деталей горячего тракта ГТД

Туль Полина Алексеевна
студент, Московский авиационный институт, РФ, г. Москва

 

Аннотация. В данной статье представлен обзор ряда научных работ, в которых исследованы свойства и технологии нанесения покрытий, обеспечивающих теплозащитный эффект изделия. Была изучена доступная информация по созданию жаростойких покрытий и ТЗП ведущими организациями в этой области: ВИАМ и ОКБ им. А.Люльки. А также были выявлены достоинства и недостатки некоторых широко применяемых методов в двигателестроительной отрасли.

 

Ключевые слова: теплозащитные покрытия (ТЗП), шликерное нанесение, электронно-лучевое нанесение, магнетронное нанесение, газотурбинный двигатель (ГТД).

 

Приоритетным направлением в современном авиационном двигателестроении является увеличение эффективности газотурбинных установок. Однако повышение желаемых служебных и тактико-технических характеристик напрямую связано с ростом давления и рабочих температур газа в горячем тракте двигателя. Данное явление подтверждает необходимость разработки новых теплозащитных покрытий (ТЗП), удовлетворяющих большому количеству неустанно возрастающих требований. Вследствие появления таких высокотехнологичных материалов возникает вопрос — как их наносить.

ТЗП имеют связующее покрытие, жаростойкий и теплозащитный слои. [2]

 

Рисунок 1. Структура теплозащитного покрытия

 

1 – ТЗП;

2 – лопатка;

3 – связующее покрытие;

4 – первый (жаростойкий) слой;

5 – второй (теплозащитный) слой 

Одним из наиболее часто применяемых методов нанесения покрытий является шликерный метод.

Его сущность заключается в предварительном нанесении на поверхность детали тонкого слоя шликера (пасты или суспензии), содержащего порошки металлов, их сплавов или окислов, либо их смесей, и в последующей сушке и обжиге при высоких температурах [2].

Анализ исследования, в котором представлены шликерные покрытия, наносимые на различные группы материалов, включая неметаллические [3-5], позволяет выявить технологические преимущества и недостатки данного метода.

Преимущества:

  • относительно простой процесс получения сложных и многокомпонентных покрытий
  • возможность местного нанесения покрытий на часть детали, что становится максимально ценно при ремонте изделия
  • высокая экономичность при нанесении покрытий на крупные детали со сложной поверхностью

Недостатки:

  • невозможность покрытия внутренних поверхностей полых деталей
  • сложность обеспечения равномерности слоёв по толщине
  • зависимость качества и свойств покрытия от квалификации оператора

Несмотря на широту применения шликерного метода нанесения ТЗП на детали газового тракта ГТД, данный метод имеет перспективу в нанесении защитных покрытий на такие сложные детали, как лопатки турбин ГТД.

Вторым по частоте применения является метод электронно-лучевого напыления покрытий со столбчатой структурой (EB-PVD).

На практике данный метод проходит в два этапа: 1 этап — электронно-лучевое испарение компонентов покрытия и 2 этап — осаждение их из паровой фазы на подложку.

Для использования электронно-лучевой технологии испарения и последующего осаждения из паровой фазы необходимы керамические слитки из испаряемого керамического материала. Качество конденсированного керамического слоя зависит от однородности испаряемого слитка. Технология нанесения теплозащитного покрытия состоит из следующих операций: подготовка поверхности, нанесение подслоя, нанесение керамического слоя, отжиг керамического слоя [6].

Широта использования метода электронно-лучевого напыления позволяет говорить о ряде его преимуществ:

  • напыление в широком спектре толщин покрытий
  • полная автоматизация процесса нанесения
  • высокая однородность слоёв покрытия
  • получение низкого коэффициента теплопроводности на изделии
  • значительное повышение ресурса работы изделия

Но несмотря на стратегическую важность использования технологии (EB-PVD), она имеет ряд недостатков:

  • низкая производительность аппаратуры для нанесения
  • возникновение рентгеновского излучения и, как следствие, возможность появления радиационных дефектов
  • трудоёмкость нанесения покрытия на детали сложной формы
  • повышение стоимости изделия на 10-12%

Стоит отметить, что только после разработки электронно-лучевой технологии нанесения покрытий со столбчатой структурой из керамических материалов стало возможным эффективное применение ТЗП на рабочих лопатках турбин высокого давления  авиационных ГТД и промышленных турбин.

Самым малоизученным и перспективным методом является магнетронный метод нанесения в присутствии реактивных газов [7].

Системы, которыми метод осуществляется, относятся к системам распыления диодного типа, в которых распыление материала происходит за счёт бомбардировки поверхности мишени ионами рабочего газа, образующимся в газе аномально тлеющего разряда [8].

Исследования, проведённые на керамических ТЗП показали, что магнетронный метод формирования таких покрытий является высокоэффективным и конкурентоспособным в сравнении с зарубежными аналогами [9].

В список преимуществ, которыми обладает магнетронный метод входят:

  • низкая степень дефектности
  • большая скорость распыления
  • высокая производительность
  • отсутствие перегрева
  •  малая степень загрязнения подложек
  • равномерное покрытие большой площади

К недостаткам следует отнести:

  • относительная сложность метода
  • высокая стоимость оборудования

Т.к. в настоящее время не разработана технология изготовления деталей горячего тракта для ГТД, удовлетворяющая возросшим эксплуатационным требованиям, то нанесение теплозащитных покрытий является в высокой степени важной и перспективной областью разработок.

Формируемые представленными методами покрытия и результаты их испытаний позволяют сказать, что существующие методы удовлетворяют требованиям сегодняшнего дня.

 

Список литературы:
1. Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Гаямов А.М., Матвеев П.В. Высокотемпературные жаростойкие покрытия и жаростойкие слои для теплозащитных покрытий // Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 17–20.
2. Харламов, Ю.А. Некоторые технологические аспекты производства деталей с защищенными покрытиями [Текст] // Ю.А. Харламов. Новые методы нанесения покрытий напылением. – Ворошиловград, 1975. – С.14 – 17
3. Артеменко Н.И., Симонов В.Н., Власова Д.В. Исследование процесса осаждения нитрида титана на установке ионно-плазменного напыления МАП-3 // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2017. №12 (60). Ст. 11. URL: http://www.viam-works.ru 
4. Астапов А.Н. Разработка высокотемпературных защитных покрытий на углеродсодержащие композиционные материалы применительно к особотеплонагруженным элементам конструкций авиакосмической и ракетной техники: дис. ... канд. техн. наук. М., 2011. 207 с.
5. Д. С. Кашин, П. Е. Дергачева, П. А. Стехов Жаростойкие покрытия, наносимые шликерным методом (обзор)  // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2018. №5 (65). Ст. 12. URL: http://www.viam-works.ru 
6. Д. С. Кашин, П. А. Стехов Современные теплозащитные покрытия, полученные методом электронно-лучевого напыления (Обзор) // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2018. №2 (62). Ст. 7. URL: http://www.viam-works.ru 
7. И. В. Дермель, К. А. Шашкеев Особенности магнетронного распыления металлов в присутствии реактивных газов (Обзор) // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2017. №11 (59). Ст. 10. URL: http://www.viam-works.ru 
8. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
9. Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Гаямов А.М., Смирнов А.А. Получение керамических теплозащитных покрытий для рабочих лопаток турбин авиационных ГТД магнетронным методом // Авиационные материалы и технологии. 2012. №4. С. 3−8.