Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXVIII. 2014. № 8 УДК 629.7.023.224 В. С. Денисова1,*, Г. А. Соловьёва2, Л.А. Орлова1 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 , корп. 1 2 ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» ГНЦ РФ, Москва, Россия. 105005, Москва, ул. Радио, д. 17 * e-mail: [email protected] 1 СИНТЕЗ РЕСУРСНЫХ ЖАРОСТОЙКИХ ЭМАЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ СТЁКОЛ БАРИЙАЛЮМОСИЛИКАТНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ Изучена эффективность защитного действия ресурсных жаростойких покрытий на основе стёкол системы BaO-Al2O3-SiO2 для защиты жаропрочных никелевых сплавов от высокотемпературной газовой коррозии. Исследована жаростойкость сплава с покрытием при температуре 1200 оС. При исследовании жаростойкости сплава с покрытием показано снижение окисляемости при температуре 1200 оС примерно в 4 раза, что позволяет исключить обезлегирование сплава. Исследована микроструктура сплава после термообработки с покрытием и без покрытия. Ключевые слова: ресурсные покрытия, никелевые сплавы, жаропрочность, высокотемпературная газовая коррозия. В настоящее время прогресс в авиастроении во многом определяется возможностями материалов, используемых при создании авиационной техники нового поколения [1]. Жаропрочные металлы и сплавы являются основой при изготовлении деталей горячего тракта газотурбинных двигателей (камер сгорания, форсажных камер, жаровых труб). Повышенные температуры эксплуатации, обеспечивающие эффективному сгоранию топлива, требуют от материалов высокой жаропрочности, стойкости к окислению и коррозии в атмосфере воздуха. В связи с этим в авиастроении создаются и внедряются новейшие виды никелевых, титановых сплавов с более высокими физико-химическими и механическими свойствами [2]. Однако, для них характерна высокая склонность к поверхностному окислению при повышенных температурах эксплуатации, при этом происходит обеднение сплавов легирующими добавками, меняется химический состав поверхностных слоёв сплавов, появляется окалина, состоящая из фаз переменного состава, образуются рыхлые подокалинные слои и зоны внутреннего окисления. С повышением температуры и продолжительности нагрева увеличивается окисляемость металла. В результате снижаются прочностные свойства сплавов. В связи с этим всю большую значимость приобретают работы по созданию ресурсных высокотемпературных жаростойких эмалевых покрытий с повышенными температурами эксплуатации для защиты жаропрочных никелевых сплавов от высокотемпературной газовой коррозии [1-5]. Высокотемпературные ресурсные покрытия позволяют регламентировать окисление поверхности металлов и являются барьером, исключающим влияние компонентов агрессивной газовой среды и продуктов сгорания топлива на поверхность сплавов. Ресурсные покрытия находят широкое применение в авиационной промышленности для защиты деталей из коррозионностойких сталей и жаропрочных сплавов от высокотемпературной газовой коррозии, что позволяет повысить ресурс эксплуатации и надежность изделий авиационной техники в 1,5-2 раза [3]. Большинство ресурсных жаростойких покрытий созданы на основе нескольких стеклообразующих систем [6, 7]. Одной из наиболее перспективных является система BaOAl2O3-SiO2. Однако существующие на её основе защитные эмалевые покрытия имеют температуру эксплуатации, не превышающую 1000 оС, что сегодня не удовлетворяет растущие требования авиастроения. Одним из направлений синтеза ресурсных покрытий с температурами эксплуатации выше 1000 оС является повышение высокотемпературной вязкости системы, что может быть реализовано двумя способами: за счёт модифицирования химического состава фритты путём увеличения содержания тугоплавких компонентов (в частности, Al2O3) или за счёт дополнительного введения в состав шликера тугоплавких модифицирующих добавков. Использование тугоплавких фритт с высоким содержанием Al2O3 открывает возможности 39 Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXVIII. 2014. № 8 регулирования процесса вязкого течения в системе покрытия путем изменения в нем структурного состояния иона Аl3+ за счет введения компонентов, способствующих созданию единого структурного каркаса [8]. В данной работе для защиты никелевых сплавов от высокотемпературной газовой коррозии синтезированы стеклокристаллические эмалевые покрытия на основе стёкол системы BaO-Al2O3-SiO2 с повышенным содержанием Al2O3 от 20 до 30 масс. %. Для определения эффективности способа введения тугоплавких компонентов в состав покрытий при помоле введены тугоплавкие модифицирующие добавки, такие, как Al2O3, Cr2O3, а также борид кремния SiB4, который позволяет реализовать так называемый эффект реакционного отверждения и снизить температуру формирования покрытий за счёт образования легкоплавкой фазы [3]. В таблице 1 приведены составы покрытий на основе фритт различной тугоплавкости и с различным содержанием модифицирующих тугоплавких добавок. Данные составы выбраны с целью изучения эффективности введения Al2O3 в состав фритт или при помоле шликера. покрытием. Установлена параболическая зависимость окисления никелевого сплава при нагреве. С увеличением температуры нагрева происходит резкое снижение жаростойкости сплава, связанное с изменением состава окисной плёнки. На рис. 1 приведены данные по кинетике окисления никелевого сплава без покрытия, с покрытием № 2 и с покрытием № 4. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности защитного действия покрытия на жаропрочном никелевом сплаве при температуре 1200 оС наблюдается снижение окисляемости примерно в 4 раза, что позволяет исключить обезлегирование сплава. Таким образом, показано, что применение синтезированных в данной работе ресурсных жаростойких покрытий повышает стойкость никелевого сплава к газовой коррозии при температуре 1200 оС. Таблица 1 Экспериментальные составы покрытий № покрытия 1 2 3 4 Содержание Al2O3 в составе стекла, % масс. 30 30 20 20 Содержание модифицирующих добавок, введённых в состав шликера, % масс. Al2O3 SiB4 Cr2O3 1 5 15 15 1 Рис. 1. Окисляемость сплава с покрытием и без покрытия при температуре 1200оС Экспериментальные покрытия были получены по шликерно-обжиговой технологии. Исследование влияния борида кремния SiB4 на температуру формирования покрытий показало, что введение борида кремния до 1 % масс. значительно снижает температуру обжига покрытий. Так, температура формирования покрытия № 2 по сравнению с покрытием № 1 с 1240 оС до 1200 оС. Значительно снизилась температура формирования покрытия №4 по сравнению с покрытием № 3 с 1220 оС до 1190 оС, при этом время обжига сократилось с 5 до 3 минут. Таким образом, введение борида кремния обеспечивает снижение температуры формирования и позволяет улучшить технологические свойства покрытий за счёт эффекта реакционного отверждения. Жаростойкость покрытий № 2 и № 4 определена при температуре 1200 оС в течение 10 часов согласно ГОСТ 9.312. Критерием оценки является привес образцов сплава с покрытием и без покрытия [9]. Испытанию подвергались образцы 10х10х1,5 мм с нанесенным покрытием толщиной 60 мкм. По результатам испытаний получены данные по кинетике окисления сплава с Для подтверждения полученных в ходе исследования жаростойкости результатов изучена микроструктура сплава с покрытием № 4 и без покрытия с помощью металлографического микроскопа ММ-0204 на поперечных шлифах, при этом для выявления структуры сплава проведено электролитическое травление специальным реактивом. Изучение микроструктуры позволяет судить о защитных свойствах покрытия, наличии и глубине обеднённого слоя. На рис. 2 приведены данные металлографических исследований микроструктуры образцов сплава с покрытием и без покрытия после термообработки при температуре 1200оС в течение 10 часов. На рис. 2а изображена микроструктура образца сплава без покрытия. При термообработке имеет место частичное окисление сплава и, как следствие, снижение концентрации легирующих элементов на поверхности и уменьшение содержания упрочняющей фазы Ni3Al и разупрочнению поверхностного слоя. Данный тип структуры 40 Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXVIII. 2014. № 8 указывает на отсутствие упрочняющей фазы никелевого сплава в поверхностном слое образца. На рис. 2б изображена микроструктура образца сплава с покрытием после термообработки. Показано, что после термообработки изменения структуры металла и образования дефектного рыхлого слоя не происходит. По данным рентгенофазового анализа после термообработки при температуре 1200оС в течение 10 часов отмечается появление кристаллической фазы в виде оксида хрома Cr2O3 и сложных тугоплавких силикатных соединений кианита Al2SiO5 и цельзиана BaAl2Si2O8, что положительно сказывается на жаростойкости покрытия. С увеличением времени выдержки растёт интенсивность кристаллических фаз на дифрактограммах, т.е. процесс кристаллизации проходит более интенсивно, в большем объёме. Согласно полученным результатам, наиболее эффективным способом повышения высокотемпературной вязкости системы покрытия, и, соответственно, температуры эксплуатации, является введение тугоплавких модифицирующих добавок в состав фритт. При этом окисляемость сплава с покрытием на основе тугоплавких фритт почти в 2 раза меньше, чем сплава с покрытием с повышенным содержанием тугоплавких модифицирующих добавок, в данном случае, оксида алюминия (рис. 1). Таким образом, основываясь на результатах исследований эффективности защитного действия синтезированных покрытий можно сделать вывод о перспективности ресурсных стеклокристаллических эмалевых покрытий на основе стёкол системы BaO-Al2O3SiO2 для защиты жаропрочных никелевых сплавов от высокотемпературной газовой коррозии при повышенных температурах эксплуатации. летательных аппаратов. Применение покрытий позволяет снизить окисляемость жаропрочных никелевых сплавов почти в 4 раза, что позволит обеспечить работоспособность узлов и деталей газотурбинных двигателей летательных аппаратов. современных 300х без покрытия б, 300х с покрытием Рис. 2. Микрофотографии образца никелевого сплава после испытаний при Т = 1200оС, 10 ч Денисова Валентина Сергеевна студент кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва Соловьёва Галина Анатольевн, ведущий инженер ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ, Россия, Москва Орлова Людмила Алексеевн, к.т.н., главный специалист кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва Литература 1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. - 2012. - № S. - С. 7-17. 2. Каблов Е.Н. Авиакосмическое материаловедение // Все материалы. Энциклопедический справочник. - 2008. - № 3. - С. 2-14. 3. Солнцев С.С. Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали. – М.: Машиностроение. - 1984. – 256 с. 4. Солнцев С.С. Защитные покрытия металлов при нагреве. – М.: Машиностроение. - 1976. – 240 с. 41 Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXVIII. 2014. № 8 5. Солнцев С.С., Розененкова В.А., Миронова Н.А., Соловьева Г.А. Высокотемпературные покрытия для волокнистых субстратов // Труды ВИАМ. - 2013. - №10. 6. Солнцев Ст.С. Высокотемпературные композиционные материалы и покрытия на основе стекла и керамики // В сб. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932–2007: Юбилейный науч.-технич. сб. М.: ВИАМ. – 2007. – С. 90–99 7. Солнцев С.С., Розененкова В.А., Миронова Н.А. / Высокотемпературные стеклокерамические покрытия и композиционные материалы // Авиационные материалы и технологии. 2012. – № S. – С. 359-368 8. Павлушкин Н.М., Сентюрин Г.Г., Ходаковская Р.Я. Практикум по технологии стекла и ситаллов – М.: Стройиздат. - 1970. - 297 с. 9. ГОСТ 9.312-89. Покрытия защитные. Методы определения жаростойкости. - С. 9. Denisova Valentina Sergeevna1,*, Solovyeva Galina Anatolyeva2, Orlova Luydmila Alekseevna1 1 D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. 2 FSUE „All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials“, Moscow, Russia * e-mail: [email protected] SYNTHESIS OF HEAT-RESISTANT ENAMEL COATINGS BASED ON GLASSES IN BaO-Al2O3-SiO2 SYSTEM FOR NICKEL ALLOYS PROTECTION Abstract The efficiency of the protective action of heat-resistant coatings based on glasses in system BaO-Al2O3-SiO2 for protection of heat-resistant nickel alloys from gas corrosion influence is studied. The oxidation level decrease for about 4 times was achieved, so the alloying elements lose may be neutralized. Microstructure of alloy after heat treatment with coating and without coating was studied. Key words: heat-resistant coatings, nickel alloy, heat resistance, high-temperature gas corrosion. 42
© Copyright 2021 DropDoc
