Интерметаллидный подслой для теплозащитных керамических покрытий разработан в ИПМ РАН

В Институте проблем машиностроения Российской академии наук – филиале Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН разработан и внедрен жаростойкий интерметаллидный подслой для покрытия диоксида циркония, используемого при защите лопаток газовых турбин из жаропрочных никелевых сплавов, работающих в экстремальных  условиях эксплуатации.

Рис. 1. Порошковый материал системы «Ni-Cr-Al-Ta-Y»: а – гранулярный состав порошка

Рис. 1. Порошковый материал системы «Ni-Cr-Al-Ta-Y»: б – сферическая морфология частиц

Для повышения жаростойкости подслоя, обеспечивающего связь рабочего керамического покрытия с основным материалом деталей, работающих при высоких температурах, необходимо наличие в нем интерметаллидных соединений. Для формирования такого подслоя был исследован и апробирован новый порошковый материал, предназначенный для технологий плазменного напыления. Данный порошок отличается от имеющихся аналогов наличием в составе соединений никеля, алюминия и хрома (Ni₃AlCr + NiAlCr), а также редкоземельных металлов – тантала и иттрия. Методами рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии были изучены морфология, элементный, гранулярный и фазовый составы порошка. Для понимания процессов, протекающих в материале при воздействии высокотемпературного плазменного потока при напылении, проводились дериватографические исследования фазовых превращений при нагреве до 1500 ^оС.

Исследованный порошковый материал был апробирован при высокоэнергетическом плазменном напылении на установке «Термоплазма». Полученный подслой с двухфазным интерметаллидным составом (β-NiМе + γ’-Ni₃Ме) показал оптимальные эксплуатационные характеристики: пористость П~4 %, твердость HV~4,5 ГПа, шероховатость поверхности R_a~4 мкм. Он создает плавный градиент механических свойств и коэффициента термического расширения между никелевым сплавом и рабочим керамическим слоем.

Рис. 2. Микроструктура покрытия, полученного методом плазменного напыления из нового порошкового материала: а – поперечное сечение (1 – основной материал, 2 – подслой), б – поверхность, в – внутренний слой

Термоциклические испытания подтвердили высокую адгезионную прочность жаростойкого подслоя при использовании его как в качестве самостоятельного покрытия, так и в комбинации с теплозащитным покрытием диоксида циркония. Визуально-оптический контроль, проведенный через каждые 100 часов и в конце испытаний, не обнаружил сколов, отслоений и растрескиваний.

Новый жаростойкий подслой предназначен для использования в составе теплозащитного покрытия на основе диоксида циркония, наносимого на термонагруженные детали (турбинные лопатки, защитные пластины, тепловые экраны, горелки) газовых турбин, которые работают длительное время в экстремальных условиях эксплуатации – в среде горючего газа при высоких температурах до 1000 ^оС.

Рис. 3. Результаты термоциклических испытаний подслоя, полученного из порошкового материала системы «Ni-Cr-Al-Ta-Y»: а – экспериментальная установка, б – образец никелевого сплава с подслоем после испытаний, в – образец никелевого сплава с подслоем + покрытием ZrO₂ после испытаний

Новый жаростойкий подслой внедрен в составе инновационной ремонтно-восстановительной технологии ООО НПЦ «Трибоника» с целью продления ресурса турбинных лопаток для нужд нефтеперекачивающей отрасли промышленности в ООО РН «Юганскнефтегаз» – ХМАО-Югра.

Авторы: Царева И.Н., Кривина Л.А., Разов Е.Н., Москвичев А.А., Фель Я.А.

Информация и иллюстрации предоставлены пресс-службой ИПФ РАН

Источник иллюстраций: ИПМ РАН