STUDIUM OCHRANNÝCH VRSTEV NA NIKLOVÝCH SUPERSLITINÁCH. STUDY OF PROTECT LAYERS ON Ni-BASED SUPERALLOYS

Transkript

1 STUDIUM OCHRANNÝCH VRSTEV NA NIKLOVÝCH SUPERSLITINÁCH STUDY OF PROTECT LAYERS ON Ni-BASED SUPERALLOYS Marta Kianicová a, Simona Pospíšilová b, Tomáš Podrábský b, Karel Stránský b, a TNUAD v Trenčíne, Fakulta špeciálnej techniky, Študentská 1, Trenčín b VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Technická 2896/2,Brno Abstrakt Projektování nové generace leteckých turbínových motorů je založeno na vytváření nových konstrukčních řešení a také materiálů, které umožňují jejich provoz v neustále měnících se podmínkách. Klíčovým článkem motoru je turbína. Zvýšením teploty plynů na vstupu do turbíny se zlepší její výkon a použitím ochranných vrstev se prodlouží její životnost. Moderní technologie nanášení vrstev otevírají nové možnosti účelových vylepšení, které se týkají složení vrstev a jejich rozmanitých vlastností. Tyto vrstvy chrání povrch lopatek vůči poškození, které je způsobené vysokoteplotní korozí a tak zabezpečují strukturní stabilitu lopatek a jejich mechanické vlastnosti pro požadovanou životnost [1, 2]. Článek se zabývá porovnáním mikrostrukturních charakteristik dvou technologií nanášení žáruvzdorné alitosilitované vrstvy na rotorových lopatkách leteckého motoru DV2. Alternativní metoda nanášení vrstvy plazmou byla vytipována hlavně z důvodu zabezpečení rovnoměrné tloušťky vrstvy na obou stranách lopatky a možnosti automatizace procesu. Abstract Production of new generation of aircraft gas turbine engines is based on designing new constructions and materials, which make it possible to operate under still more severe conditions. The key assembly of the engine is its turbine, whose materials and design determine the tolerable gas temperature. Increased inlet gas temperatures resulted in the shortening of the service life of the blades protected with diffusion coatings. New principles of coating deposition opened up new possibilities for purposive improvement of coating compositions and variation of their properties. Coatings protect the surface of turbine blades from damage caused by high-temperature corrosion and preserve the structural shape of blades and their mechanical properties for the required time [1, 2]. This paper deals with compare of microstructural features of two technological processes for deposition protective coatings for rotor turbine blades of aircraft DV2. The alternative deposition plasma spray was determined because of compose the uniform thickness around the range of blade and the possibility of process automation. 1. ÚVOD Difúzní bariéra typu alitosilitovaných vrstev (AlSi vrstev) byla původně vyvinuta pro niklovou superslitinu ŽS6K jako ochrana vůči oxidaci a korozi; a to na lopatky nízkotlakých a vysokotlakých turbín leteckých motorů. Rotorové lopatky leteckého motoru jsou konstrukčně a technologicky nejsložitější a nejvíce namáhané části motoru. Lopatka je namáhána na tah odstředivou silou vlivem vlastní hmotnosti, na ohyb od plynových sil v mezilopatkovém kanálu, na ohyb od odstředivé síly v důsledku toho, že těžiště jednotlivých řezů neleží přesně na radiálu, na krut od odstředivé síly a od plynových 1

2 sil. Napětí vznikající v lopatce od těchto sil se nazývají statická napětí. K tomuto zatížení je nutné připočítat dynamické namáhání v důsledku tepelných pnutí a vibrací lopatky vlivem nerovnoměrnosti toku plynů. Výše zmíněné namáhání má charakter únavových a creepových procesů za vysokých teplot. Na ochranu povrchu rotorových lopatek prvního stupně vysokotlaké a prvního stupně nízkotlaké turbíny před vysokoteplotní korozí, oxidací a erozí využívá výrobce leteckého motoru DV2 technologii nanášení suspenze Al a Si prášku v roztoku koloxylínu jako pojiva s následným difúzním žíháním. Tato technologie ručního stříkání suspenze je však závislá na zručnosti obsluhy a nezabezpečuje vždy rovnoměrnost tloušťky vrstvy na konvexní a konkávní straně lopatky (obr. 1), [3]. Konvexní strana Odtoková hrana Konkávní strana Nábežní hrana Obr. 1 Označení ploch na příčném řezu listu rotorové lopatky Existence ochranné vrstvy na povrchu materiálu a její nerovnoměrnost teoreticky může zhoršit mechanické vlastnosti základního materiálu za vysokých teplot. Na základě dosud provedených experimentů a publikovaných prací [3, 4] bylo zjištěno, že alitosilitovaná vrstva vyrobená standardní cestou předepsanou výrobcem nezhoršuje mechanické vlastnosti za vysokých teplot. Příspěvek se zabývá studií ochranných alitosilitovaných vrstev na lité niklové superslitině ŽS6K při použití náhradní technologie nanášení vrstev prostřednictvím plazmového nástřiku prášků Al a Si, která by zabezpečila a prodloužila požadovanou životnost rotorových lopatek. Výsledky pak byly porovnány se standardní technologií tvorby alitosilitovaých vrstev. 2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A METODY Jako experimentální materiál byly použity rotorové lopatky 1 vysokotlakové turbíny leteckého motoru DV2. Na jednu lopatku byla aplikována AlSi vrstva standardní cestou předepsanou výrobcem (tj. nástřik směsi tlakovou pistolí s následným difúzním žíháním v ochranné atmosféře na teplotě 1000 C s výdrží 3 h), na další lopatky byla provedena plazmová depozice, tj. nástřik Al a Si prášků se stejným poměrem. U vybraných vzorků následovalo difúzní žíhaní v ochranné atmosféře argonu, opět na teplotě 1000 C s výdrží 3 h a při pomalém chlazení v retortě. Tloušťka aplikovaného plazmového nástřiku se po celém obvodu lopatky pohybovala v rozsahu od 30 do 43 µm. Vzhledem k prvnímu zkušebnímu plazmovému nástřiku, bez korekce technologických parametrů, nebudou hodnoceny a porovnávány tloušťky subvrstev lopatek. Mikrostruktura vrstev a substrátu u všech vzorků byla zkoumána metodami světelné (SM), rastrovací elektronové mikroskopie (REM) s chemickou energiově disperzní mikroanalýzou (EDA) při použití urychlovacího napětí 20 kv. Chemické složení materiálu lopatky je uvedeno v tab. 1, makrosnímky zkoumaných lopatek na obr. 2. a mikrostruktury AlSi vrstev nanesených různými technologiemi na obr. 3a,b. 2

3 Tabulka 1 Chemické složení experimentálního materiálu (v hm. %) [ hm. %] Ni C Co Cr W Mo Ti Al Nb Fe B ŽS6K zákl. 0,12-0,20 4,0-5,0 9,5-12,5 4,5-5,5 3,5-4,8 2,5-3,2 5,0-6,0 5,5 2,0 0,02 Obr. 2 Makrosnímek zkoumaných lopatek, vlevo plazmová depozice (lopatka A, B), vpravo nástřik suspenze (neoznačená lopatka) Obr. 3a Mikrostruktura AlSi vrstvy (nástřik suspenze) na základním materiálu po difúzním žíhání (SM) Obr. 3b Mikrostruktura AlSi vrstvy (plazmová depozice) na základním materiálu po difúzním žíhání (SM) 3. VÝSLEDKY Alitosilitovaná vrstva vyrobená nástřikem suspenze (prášek Al, Si v organické směsi) byla difúzně žíhána v ochranné atmosféře argonu při teplotě 1000 C s výdrží na teplotě 3 hodiny s následujícím pomalým chladnutím v retortě. Mikrostrukturu alitosilitované vrstvy po difúzním žíhání tvoří dvě základní subvrstvy, a to tzv. vnější nebo-li povrchovou subvrstvu a vnitřní nebo-li difúzní subvrstvu, viz. obr. 4a [3]. Chemické složení zkoumaných fází v jednotlivých subvrstvách a substrátu je uvedeno v tab. 2, viz. obr. 4b. Z mikrostrukturního hlediska vnější vrstva obsahuje převážně směs aluminidních intermetalických sloučenin NiAl, Ni 3 Al a malé množství fází na bázi karbidotvorných prvků Cr, Mo, Si a W. Mikrostruktura difúzní subvrstvy je tvořena aluminidy, ale s nižším obsahem Al než ve vnější vrstvě a jemně rozptýlenými částicemi karbidických fází a silicidů s vyšším obsahem Cr, Mo, Si a W [3, 4]. 3

4 Na rozhraní alitosilitovaná vrstva-substrát (tj. základní materiál ŽS6K) se při delší teplotní expozici ve směru difúzního toku vyskytují částice jehlicovité morfologie do hloubky menší než 2 µm. Chemické složení substrátu ověřené energiově disperzní analýzou (EDA) odpovídá základnímu složení slitiny ŽS6K. V matrici jsou přítomné primární karbidy typu MC a sekundární karbidy M 23 C 6 vyloučené v mezidendritických prostorech. Difúzní vrstva Povrchová vrstva Obr. 4a Mikrostruktura AlSi vrstvy (nástřik suspenze) na ŽS6K po difúzním žíhání (REM) Obr. 4b Vyznačená chemicky analyzovaná místa (EDA) v AlSi vrstvě Tabulka 2 Chemické složení jednotlivých fází v alitosilitované vrstvě (viz. obr. 4b) Hm % Al K Si K Ti K Cr K Fe K Co K Ni K Mo L W L Alitosilitovaná vrstva vyrobená plazmovým nástřikem (bez difúzního žíhání) je uvedena na obr. 5a,b. Typická pórovitost vyskytující se při technologii nanášení plasmou je zřejmá. Rozložení Al a Si ve vrstvě bylo sledováno na základě techniky maping pomocí energiově disperzní analýzy. Rozložení Al a Si na ploše je znázorněno červenou a zelenou barvou na obr. 5c a 5d. Obr. 5a Vrstva AlSi (SM) Obr. 5b Vrstva AlSi (REM) 4

5 Obr. 5c Rozložení částic Al (REM EDA) Obr. 5d Rozložení částic Si (REM EDA) Alitosilitovaná vrstva vyrobená plazmovým nástřikem (včetně difúzního žíhání) je znázorněna na obr. 6a, b. Byla rovněž provedena měření chemického složení jednotlivých strukturních složek metodou EDA (plošné analýzy Pl1, Pl2 i bodové analýzy 1-4). Obr. 6a Mikrostruktura AlSi vrstvy (plazmový nástřik suspenze) po difúzním žíhání (REM) Obr. 6b Vyznačená chemicky analyzovaná místa (EDA) v AlSi vrstvě Tabulka 3 Chemické složení jednotlivých fází v alitosilitované vrstvě (viz. obr. 6a,b) Hm. % Pl 1 Pl 2 Al K Si K Mo L Ti K Cr K Fe K Co K Ni K W L Mn K Mikrostruktura vnější subvrstvy je tvořena aluminidem NiAl legovaným převážně křemíkem (bod 1) a rovnoměrně rozptýlenými částicemi karbidů (bod 2) na bázi žáruvzdorných prvků (Si, Cr, Al, Mo, Ti, W). Vnitřní difúzní subvrstva je tvořená matricí 5

6 Ni 3 Al a větším podílem karbidických částic. Z provedených plošných analýz (Pl1, Pl2) chemického složení metodou EDA vyplývá, že obsah chromu je vyšší ve vnější subvrstvě a množství hliníku má naopak vyšší procentní zastoupení v difúzní subvrstvě. 4. ZÁVĚR Technologie plasmového nástřiku Al a Si prášků nebyla dosud aplikována na rotorových lopatkách turbínových motorů. Cílem experimentu bylo posoudit a vyhodnotit mikrostrukturu náhradní technologie plasmové depozice Al-Si prášků vrhaných na substrát niklové superslitiny ŽS6K. Na základě výsledků lze konstatovat, že: 1. Difúzní žíhaní plasmového nástřiku prášků Al a Si nezpůsobilo výrazné změny mikrostruktury subvrstev. Matrice obou subvrstev mají stejné procentní zastoupení Al a Ni a odpovídají fázi NiAl ve vnější subvrstvě a Ni 3 Al ve vnitřní subvrstvě. 2. Odlišnost mikrostruktury porovnávaných technologií spočívá jen v procentním plošném rozložení karbidů. Technologie plasmového nástřiku s následným žíháním způsobila, že vnější subvrstva má bohatší zastoupení karbidických fází. Vliv množství těchto fází na případnou změnu odolnosti vůči korozi a oxidaci a také na změnu mechanických vlastností základního materiálu při vysokých teplotách, je třeba prověřit dalšími experimenty. 3. Šířka základní AlSi vrstvy a jejich subvrstev nebyla vyhodnocena z důvodu zkušebního nástřiku. Po upřesnění technologických parametrů nástřiku očekáváme vyšší rovnoměrnost vrstvy po obvodu lopatky a jednodušší aplikaci pro renovaci vrstev lopatek. 4. Na základě dosud uskutečněných experimentů je možné konstatovat, že z hlediska studia mikrostruktury je technologie plasmového nástřiku vhodnou metodou nahrazující ruční stříkaní suspenze. Poděkování Autoři děkují za finanční podporu Grantové agentuře České republiky, projekt č. 106/06/0393 a 106/07/ LITERATURA [1] TAMARIN, Y.: Protective Coatings for Turbine Blades. ASM Ohio, USA, s. [2] XIANG Z. D. DATTA, P. K.: Codeposition of Al and Si on nickel base superalloys by pack cementation process Materials Science & Engineering A, A356 (2003) Nos 1-2, pp [3] KIANICOVÁ, M.: Degradácia žiaruvzdorných difúznych povlakov spôsobená krátkodobým prekročením prevádzkovej teploty. Dizertačná práca, Trenčín [4] POSPÍŠILOVÁ, S. - VLASÁK, T. - PODRÁBSKÝ, T. - HAKL, J. - JULIŠ, M.: Influence of Al-Si Layer on Structure and Properties of Cast Ni-based Superalloys. Mater. Sci. Forum, (2008), pp