Одним из направлений развития авиадвигателестроения является увеличение температуры газов перед турбиной. При этом, однако, происходит рост термомеханической напряженности лопаток газовых турбин и, как следствие, дальнейшее усложнение их конструкции. От надежности этих элементов двигателя в наибольшей степени зависит надежность и ресурс газотурбинных двигателей в целом, и, соответственно, безопасность полетов.

Проблему надежности газовых турбин авиадвигателей можно решить только путем разработки и внедрения качественно новых технологий, в том числе:

• - высокоградиентного монокристаллического литья заготовок;
  
• - струйной электроэрозионной прошивки охлаждающих отверстий в лопатках;
  
• - глубинного шлифования поверхностей замка и бандажных полок;
  
• - нанесения покрытий на наружные и внутренние поверхности лопаток.
  

В настоящее время в России и за рубежом при производстве рабочих лопаток ГТД широкое применение получил метод направленной кристаллизации, позволяющий значительно повысить качество используемых жаропрочных сплавов, устраняя поперечные границы зерен. Дальнейшим развитием этого метода стало получение лопаток (например, из сплава ЖС-32) с монокристаллической структурой.

Разработанные в ВИАМ научные основы процесса высокоградиентной направленной кристаллизации жаропрочных сплавов позволили ММПП "Салют" приступить к созданию технологии производства рабочих лопаток турбин.

Исследования, направленные на разработку технологии, осуществлялись на обеспечивающей высокий градиент температуры модульной вакуумной печи УВНЭС-4 с двухзонным нагревателем и жидкометаллическим охладителем (расплавом олова).

Процесс плавки и направленной кристаллизации проводили в вакууме. Для изготовления лопаток по промышленной технологии в печах УВНК-8П использовали жаропрочный сплав ЖС-32. Температура металла перед заливкой в плавильном индукционном тигле составляла 1600 °С, скорость кристаллизации - 4…5 мм/мин. При отработке процесса высокоградиентной направленной кристаллизации температура на керамической форме варьировалась в диапазоне от 1620 до 1700 °С.

Качество макроструктуры полученных лопаток оценивалось визуально после травления в смеси соляной кислоты и перекиси водорода. Кристаллографическая ориентация лопаток устанавливалась рентгеновским методом по стандартной методике.

Проведенный комплекс исследований позволил оптимизировать технологические параметры процесса высокоградиентной направленной кристаллизации лопаток ГТД и получить в условиях производства лопатки с монокристаллической структурой. Детальное исследование особенностей микроструктуры сплава в различных сечениях лопаток показало, что в условиях высокоградиентной направленной кристаллизации по всему телу лопаток (как в пере, так и в замке) формируется регулярная структура с междендритным расстоянием около180 мкм.

Применение монокристаллических лопаток, изготовленных методом высокоградиентной направленной кристаллизации, позволит существенно улучшить основные характеристики (ресурс на 20…30 %, тягу на 10…15 %) ГТД. По заключению специалистов исследовательского центра GECRD компании "Дженерал электрик", разработанная высокоградиентная технология значительно эффективнее аналогичных промышленных технологий, используемых в США (так, количество циклов нагружения до разрушения лопаток, изготовленных по отечественной технологии, в 30 раз больше, чем у американских).

Для изготовления охлаждающих отверстий на профиле пера лопаток турбины газотурбинных двигателей и энергетических машин широкое применение находит электроэрозионная обработка (ЭЭО). Относительная глубина отверстий, получаемых электроэрозионной прошивкой, обычно не превышает 20. Максимальная относительная глубина прошиваемого отверстия при ЭЭО, помимо электрических параметров, во многом зависит и от параметров гидродинамических, особенно от давления прокачки.

Установлено, что самым эффективным способом электроэрозионной прошивки глубоких отверстий малого диаметра является прокачка маловязкой рабочей жидкости под большим давлением (до 10 МПа) через внутреннюю полость капиллярного вращающегося электрода. Обработка по такой схеме получила название струйной. Наиболее эффективно струйная электроэрозионная обработка реализована на станке "Fine SODICK".

В процессе поиска оптимальных режимов струйной электроэрозионной обработки удалось определить зависимости производительности от глубины прошивки, а также закономерности изменения толщины измененного слоя и износа трубчатых капиллярных электродов от частоты импульсов генератора. Исследования проводились при выполнении операции прошивки отверстий диаметром 0,4…0,5+01 мм в лопатках из сплава ЖС-26 монокристаллического литья.

При струйной ЭЭО величина измененного слоя, также как и при традиционной ЭЭО, зависит от частоты следования и длительности импульсов. При использовании высокочастотных режимов (свыше 88 кГц) величина измененного слоя уменьшается. На оптимальных режимах для сплава ЖС-26 она составляет 10…15 мкм, что сравнимо с результатами применения чистовых режимов традиционной ЭЭО.

Найденные электрические и гидродинамические режимы в сочетании с использованием специальной рабочей жидкости VITOL-RS позволили получить максимальную производительность и уменьшить износ электродов на 30…50 %.

Механическая обработка высоконагруженных деталей турбины (в частности, лопаток) связана с рядом особенностей:

• - сложностью формы деталей и изобилием элементов поверхностей критического формообразования;
  
• - необходимостью выполнения в условиях реального производства высоких требований по точности геометрических параметров поверхностей деталей на уровне 5...7 квалитетов и достижения шероховатости поверхности не более 1,25 мкм;
  
• - необходимостью формирования поверхностного слоя детали с высокой несущей способностью, гарантированным отсутствием в нем изменений фазово-структурного состояния и заданным распределением остаточных напряжений сжатия.
  

Практика показала, что в рамках традиционной многооперационной технологии эффективное решение подобных задач не обеспечивается. Мало того, многообразные методы лезвийной обработки и финишные операции создают в поверхностном слое детали сложную нестабильную по качеству наследственность.

Конструктивной идеей принципиального изменения методов производства высоконагруженных деталей явилось создание интегральной технологии механической обработки, которая позволила соединить в едином процессе формообразование и формирование высокого качества поверхностного слоя любых сложнопрофильных деталей. Базовым процессом новой технологии явился процесс глубинного шлифования, принципиально отличающийся по кинематике и условиям резания от традиционных методов абразивной обработки. Толщина слоя металла, удаляемого за один проход при глубинном шлифовании, может составить несколько миллиметров, а рабочая подача изменяется от 50 до 200...500 мм/мин в зависимости от типа обрабатываемого материала, глубины резания и требований, предъявляемых к качеству поверхностного слоя деталей. По сравнению с традиционным маятниковым шлифованием, при котором глубина резания ограничивается сотыми долями миллиметра, это значительно эффективнее (в журнале "Двигатель" № 3 за 1999 г. достаточно подробно описывалось существо метода). На базе разработанных технологических средств, проведенного комплекса исследований и построенной энергетической модели технологического процесса создана концептуально единая высокоэффективная интегральная технология механической обработки широкой гаммы конструкционных материалов практически без ограничений их прочности и твердости. Новая технология нашла широкое применение при обработке ответственного класса деталей из труднообрабатываемых, в том числе жаропрочных, материалов. Таким образом, была решена проблема механической обработки подавляющего большинства деталей газотурбинных двигателей, и, в первую очередь, турбинных лопаток.

На ММПП "Салют" процесс глубинного шлифования используется при изготовлении лопаток турбины авиационных двигателей, обработке контактных поверхностей елочного профиля хвостовика и бандажных полок. На операции глубинного шлифования скорость съема металла более чем в 10 раз превышает скорость съема при фрезеровании. Точность формообразования отвечает 6-му квалитету, поверхность формируется с регулярным микрорельефом Ra = 0,8...1,25 мкм.

В современных авиадвигателях лопатки турбины не могут работать в течение заданного ресурса без надежной защиты от газовой коррозии. За время эксплуатации поверхностный слой лопаток турбины интенсивно повреждается. В защитных покрытиях наружной и внутренней поверхностей лопаток турбины возникают и развиваются микротрещины, нередко образуются эрозионные повреждения, сколы покрытия, происходит внутреннее окисление металла, снижается концентрация защитных элементов, возникают поры, изменяется фазовый состав и структура поверхностного слоя. Поверхностный слой сплавов обедняется элементами, ответственными за жаростойкость, уменьшается количество фазы NiAl, ответственной за стойкость покрытий к газовой коррозии.

Наиболее часто повреждения поверхностных слоев наблюдаются на рабочих лопатках турбины высокого давления. Степень повреждения лимитируется, прежде всего, допускаемой деформацией покрытий. Повреждаемость поверхностных слоев лопаток турбины зависит от многих факторов: состава газовой среды, режима термоциклирования, уровня температур и напряжений, толщины покрытий, их состава и структуры. Наиболее остро проблема нанесения надежных защитных покрытий встала при разработке, серийном производстве и ремонте авиационных двигателей четвертого поколения, когда уровни температур и нагрузок на лопатках турбины значительно возросли.

На ФНПЦ ММПП "Салют" разработан ряд новых технологических процессов нанесения защитных покрытий. Проведены исследовательские и внедренческие работы по обеспечению высокой долговечности лопаток газовых турбин. Защитные покрытия позволили существенно продвинуться вперед в решении проблемы высокой надежности перспективных авиадвигателей пятого поколения с температурой газа перед турбиной 1850…1900К и более.

Опыт разработки и эксплуатации защитных покрытий для жаропрочных никелевых сплавов в отечественном и зарубежном двигателестроении показал, что наиболее удовлетворительным комплексом свойств обладают покрытия на основе алюминидов никеля, образующие при окислении защитную пленку aльфа-Аl2О3. Свойства таких покрытий в основном определяются толщиной слоя, концентрацией алюминия, наличием легирующих элементов и размером зерна в структуре покрытия. Различные сочетания этих характеристик позволяют получать покрытия с оптимальной долговечностью для соответствующих условий эксплуатации.

Для нанесения многокомпонентного покрытия (характеризующегося составом Ni + (18…22) % Сr + (11,5…13,5) % Al + (0,1…0,6) % Y) на рабочие лопатки турбины высокого давления двигателя АЛ-31Ф в ФНПЦ ММПП "Салют" применены вакуумные плазменные установки МАП-1, позволяющие получать мелкозернистые покрытия со скоростью осаждения 20…25 мкм/ч на вращающиеся детали. В установке реализован вакуумно-дуговой способ генерации плазмы материала катода путем его эрозии катодным пятном вакуумной электрической дуги.

Основными дефектами защитного покрытия системы NiCrAlY, получаемого с использованием вакуумно-плазменной технологии высоких энергий, являются сколы покрытия из-за недостаточной адгезии, наличие крупной капельной фазы в слое, образующейся обычно в результате вскрытия пор при испарении материала катода, а также микротрещины в слое, обусловленные возникновением значительных растягивающих напряжений, которые ограничивают ресурс лопаток турбины второй серии двигателя АЛ-31Ф в пределах 300 ч.

Для решения проблемы дальнейшего увеличения ресурса на ММПП "Салют" были проведены исследовательские и внедренческие работы по реализации комплексного диффузионного покрытия системы (NiCrY)+(CrAlY), осаждение слоев которого проводится в две стадии. На первой стадии осаждается нихром с добавкой иттрия, а на второй стадии осаждается алюминий и хром также с добавкой иттрия. Окончательная структура покрытия формируется при термовакуумной обработке.

Теоретические и экспериментальные исследования позволили получить наиболее благоприятную структуру покрытия с применением установки финишной термовакуумной обработки с принудительной циркуляцией галогенидов металлов для формирования оптимальной структуры слоя. Применение циркуляционного способа обеспечило ряд преимуществ. Его отличают более высокий технический уровень, простота исполнения, возможность получения покрытий на наружной и внутренней поверхностях охлаждаемых лопаток одновременно, экологическая чистота.

В газоциркуляционной установке детали и диффундирующие вещества располагаются раздельно. Перемешивание газовой среды осуществляется с помощью вентилятора. Для формирования покрытия на поверхности внутренней полости охлаждаемых лопаток турбины, щелей, каналов осуществляется продувка их галогенидной газовой средой. При разработке теории циркуляционного способа впервые построены изотермические сечения тройных диаграмм металлов с галогенами.

Указанными равновесными диаграммами можно пользоваться, так как вокруг насыщаемых деталей и поверхностей источников диффундирующих элементов имеются области локального равновесия. Сечения тройных диаграмм позволили оценить возможность одновременного насыщения поверхности лопаток ГТД двумя элементами, например, алюминием и кремнием с применением циркуляционного метода.

Если в циркуляционную установку загружать одновременно алюминий, кремний, лопатки и источник хлора (например, АlСl3), то поверхность при определенной температуре и давлении будет насыщена только алюминием, так как область равновесного сосуществования хлоридов алюминия и кремния очень мала. Эта область значительно расширяется, если в установку вместо чистого алюминия поместить ферроалюминий - FeAl. Тогда появляется возможность одновременного насыщения поверхности лопаток алюминием и кремнием благодаря тому, что термодинамическая активность алюминия к хлору значительно превосходит термодинамическую активность кремния к хлору. При применении сплава FeAl значительно снижается термодинамическая активность алюминия, и наряду с его хлоридами могут сосуществовать хлориды кремния.

Полученные зависимости положены в основу направления разработки многокомпонентных покрытий газовым методом, не предусматривающим регулирования давления, а путем целенаправленного изменения термодинамической активности элементов, одновременно участвующих в реакциях химического транспорта. Такое предложение выдвинуто на основании анализа систем Al-Si-Cl, Al-Cr-Cl, FeAl-Cr-Cl. Для практической реализации процессов насыщения поверхностного слоя деталей на ФНПЦ ММПП "Салют" созданы промышленные циркуляционные установки различной мощности, которые применяются для нанесения покрытий на лопатки газовых турбин.

Для повышения жаростойкости покрытий, содержащих алюминий, на нижнем уровне допустимых значений в покрытия вводили хром. Содержание хрома выбирается в зависимости от назначения покрытия.

Управление составом покрытий, наносимых диффузионным методом, весьма затруднительно. Дальнейшее улучшение сопротивляемости покрытий газовой коррозии достигнуто введением небольших добавок элементов, повышающих стойкость к скалыванию основной защитной оксидной пленки Аl2О3. В качестве микролегирующих элементов применены иттрий, гафний и кремний.

Испытания на коррозию комбинированных покрытий подтвердили их высокую работоспособность при температурах 1100…1150 °С. Основной тенденцией в изменении химического состава комбинированных покрытий системы Ni, Cr, Al, Та, W, Hf, Si, Y является уменьшение содержания алюминия, который расходуется на образование защитной оксидной пленки Аl2О3. Другой причиной снижения содержания алюминия в слое является взаимодиффузия элементов покрытия и сплава при температурах выше 1100 °С.

Сравнительными испытаниями на длительную жаропрочность образцов из сплава ЖС-6У с различными покрытиями установлено, что комплексное покрытие системы никель-хром-алюминий-иттрий повышает долговечность сплава в области температур 750…1000 °C.

Покрытие уменьшает скорость разрушения сплава в исследованном температурном интервале и препятствует уменьшению ресурса пластичности при воздействии высоких температур поверхностного слоя металла.

Испытания показали, что при температурах 800…1000 °С, когда покрытие находится в пластичном состоянии, толщина покрытия не оказывает заметного влияния на трещиностойкость. Однако при меньших температурах, когда покрытие переходит в хрупкое состояние, увеличение толщины слоя покрытия свыше 40 мкм снижает вязкость разрушения.

Таким образом, поскольку температура и нагрузки распределяются по профилю пера лопаток турбин неравномерно, толщины покрытий, базирующихся на системе Ni-Cr-Al, должны назначаться дифференцированно: минимизироваться в зонах, имеющих температуру ниже температуры хрупкости покрытия, и иметь максимально допустимую величину в зонах интенсивного поражения газовой коррозией, где температура превышает граничную по хрупкости покрытий.

Применение перечисленных новых технологий обеспечивает:

• - существенное увеличение эксплуатационной температуры вплоть до 1150…1200 °С в газовых турбинах;
  
• - увеличение долговечности покрытий при температурах 1150…1200 °С до 1500 ч;
  
• - возможность значительного увеличения ресурса лопаток турбин современных двигателей типа АЛ-31Ф и Д436Т1.

Процентное содержание легирующих веществ в точках концентрационного треугольника
	Точки	1	2	3	4	5
	Содержание компонентов	10% Al, 30% Si	10% Al, 50% Si	20% Al, 10% Si	20% Al, 30% Si	40% Al, 20% Si
	SiCl2	4,00	0,33	0,03	-	-
	SiCl3	3,38	0,12	-	-	-
	SiCl4	5,63	0,08	-	-	-
	AlCl	0,01	0,04	6,00	17,70	40,66
	AlCl2	0,33	0,51	10,46	9,40	3,85
	AlCl3	25,40	16,60	50,85	13,70	1,00
	AlCl6	-	-	-	-	-
	k * Al	-	-	-	-	22,00
	k * Si	61,20	82,20	32,40	59,00	32,40