Анализ и разработка методов устранения производственных дефектов теплозащитных покрытий, получаемых электронно-лучевым испарением в вакууме

Цель. Процесс формирования теплозащитного покрытия на поверхности лопаток турбин газотурбинных двигателей задействует комплекс сложного технологического оборудования. Целями настоящей работы являются: систематизация, выявление причин и возможные способы устранения производственных дефектов теплозащитных покрытий, получаемых электронно-лучевым испарением в вакууме.
Методы. Для достижения целей были проанализированы дефекты теплозащитных покрытий, сформированных на рабочих лопатках турбины из монокристаллического жаропрочного никелевого сплава ЖС32-ВИ. Металлический подслой в системе теплозащитного покрытия был нанесен ионно-плазменным методом на установке МАП1-М. Формирование керамического теплоизоляционного слоя было выполнено электроннолучевым испарением с конденсацией из паровой фазы на установке L-8. Для исследования дефектов керамического покрытия использовались средства оптической и электронной микроскопии, а также металлографии. Определение химического состава фазовых компонентов в поверхностном слое и теплозащитном покрытии лопаток производилось с помощью энергодисперсионного анализатора, входящего в состав электронного микроскопа.
Результаты. Выявлены причины возникновения дефектов покрытий на разных стадиях производства. Проведена классификация дефектов и меры по их устранению и предупреждению их возникновения.
Заключение. Проанализировав опыт серийной технологии, можно сделать вывод о том, что дефекты теплозащитных покрытий можно условно разделить на две группы: дефекты, образовавшиеся при нанесении покрытий, а также дефекты, образовавшиеся при вспомогательных операциях изготовления покрытий. Дефекты, выявленные визуальным контролем, поддаются устранению, несмотря на увеличение сроков выпуска продукции одновременно с её удорожанием. Однако наибольшую опасность представляют скрытые дефекты, выявление которых невозможно на этапе изготовления и контроля. Такие дефекты проявляются только при испытаниях или эксплуатации, ставя под угрозу работоспособность всего двигателя в целом.

1. Иноземцев А.А., Сандрацкий В.Л. Газотурбинные двигатели. Пермь: Авиадвигатель, 2006. Ч. 1. 602 с.

2. Елисеев Ю.С., Абраимов Н.В., Крымов В.В. Химико-термическая обработка и защитные покрытия в авиадвигателестроении. М.: Высш. шк., 1999. 525 л.: ил.

3. Bi X.F., Xu H.B., Gong S.K. Investigation of the failure mechanism of thermal barrier coatings prepared by electron beam physical vapor deposition // Surface and Coatings Technology. 2000. Vol. 130. Р. 122–127. https://doi.org/10.1016/s0257-8972(00)00693-9.

4. Wang Y., Sayre G. Commercial thermal barrier coatings with a double-layer bond coat on turbine vanes and the process repeatability // Surface and Coatings Technology. 2009. Vol. 203. P. 2186–2192. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2009.02.007.

5. Schulz U., Schmucker M. Microstructure of ZrO2 thermal barrier coatings applied by EB-PVD // Material Science & Engineering: A. 2000. Vol. 276. P. 1–8. https://doi.org/10.1016/s0921-5093(99)00576-6.

6. Способ контроля толщины покрытий: патент 2753846 Российская Федерация / Игнатьев З.Е. № 2020137938; заявл. 18.11.2020; опубл. 24.08.2021, Бюл. № 24. 7 с.

7. Effect of vacuum annealing on initial oxidation behavior and alumina transition of NiCoCrAlY coatings / A. Ullah, A. Khan, Z.B. Bao, C.T. Yu, S.L. Zhu, F.H. Wang // Surface & Coatings Technology. 2020. Vol. 404. P. 1–9. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126441.

8. Ostadi A., Hosseini S. H., Fordoei M. E. The effect of temperature and roughness of the substrate surface on the microstructure and adhesion strength of EB-PVD ZrO2-%8wtY2O3 coating // Ceramics International. 2020.Vol. 46, is. 2. P. 2287–2293. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.09.217.

9. Wu L.T., Wu R.T., Zhao X., Xiao P. Microstructure parameters affecting interfacial adhesion of thermal barrier coatings by the EB-PVD method // Material Science & Engineering: A. 2013. Vol. 594. P. 193–202. https://doi.org/10.1016/j.msea.2013.11.054.

10. Liu J., Byeon J.W., Sohn Y.H. Effects of phase constituents/microstructure of thermally grown oxide on the failure of EB-PVD thermal barrier coating with NiCoCrAlY bond coat // Surface & Coatings Technology. 2006. Vol. 200. P. 5636–5644. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.08.140.

11. Effect of bond coating surface roughness on high-temperature performance of EB-PVD thermal barrier coatings / H. Xiaopeng, L. Qing, X. Zhihang, L. Sai, W. Qian, G. Jinwei, Zh. Wang // Ceramics International. 2025. Vol. 51, is. 11. P. 14307-14318. https://doi.org/10.3390/coatings12050596.

12. Kadam N. R., Karthikeyan G., Kulkarni Dh. M. Effect of substrate rotation on the microstructure of 8YSZ thermal barrier coatings by EB-PVD // Materials Today: Proceeding. 2020. Vol. 28, pt. 2. P. 678-683. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.12.276.

13. Rätzer-Scheibe H.-J., Schulz U., Krell T. The effect of coating thickness on the thermal conductivity of EB–PVD PYSZ thermal barrier coatings // Surface & Coatings Technology. 2006. Vol. 200. P. 5636–5644. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.07.109.

14. Ионно-плазменные жаростойкие покрытия с композиционным барьерным слоем для защиты от окисления сплава ЖС36ВИ / С.А. Будиновский, С.А. Мубояджян, А.М. Гаямов, С.В. Степанова // Металловедение и термическая обработка металлов. 2011. № 1. С. 34–40.

15. Промышленная электронно-лучевая установка L-8 для осаждения теплозащитных покрытий на лопатки турбин / Н.И. Гречанюк, П.П. Кучеренко, А.Г. Мельник, Д.В. Ковальчук, И.Н. Гречанюк // Автоматическая сварка. 2014. № 10. С. 48–53.

16. Влияние кривизны поверхности подложки на структуру и свойства термобарьерных, конденсационных покрытий / К.Ю. Яковчук, Ю.Э. Рудой, Л.М. Нероденко, Е.В. Оноприенко, А.О. Ахтырский // Электронно-лучевые процессы. 2011. № 1. С. 22–29.

17. Residual stresses in environmental and thermal barrier coatings on curved superalloy substrates: Experimental measurements and modeling / D. Liu, S.T. Kyaw, P.E.J. Flewitt, M. Seraffon, N.J. Simms, M. Pavier [et al.] // Material Science & Engineering: A. 2014. Vol. 606. P. 117–126. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.03.014.

18. Comparison of thermal stresses developed in Al2O3–SG, ZrO2–(12% Si+Al ) and ZrO2–SG thermal barrier coating systems with NiAl, NiCrAlY and NiCoCrAlY interlayer materials subjected to thermal loading / I. Taymaz, A. Mimaroglu, E. Avcı, V. Uςar, M. Gur // Surface & Coatings Technology. 1999. Vol. 116–119. P. 690–693. https://doi.org/10.1016/s0257-8972(99)00121-8.

19. Шатульский А.А., Игнатьев З.Е. О механизме протекания процесса рекристаллизации в поверхностном слое отливки после пескоструйной обработки // Вестник РГАТА имени П.А. Соловьева. 2016. № 1 (36). С. 72−75.

20. Jichun X., Jiarong L., Shizhong L. Surface recrystallization in Nickel base single crystal superalloy DD6 // Chinese Journal of Aeronautics. 2010. Vol. 23. P. 478−485. https://doi.org/10.1016/s1000-9361(09)60244-2.

21. Нейман А.В., Филонова Е.В., Исходжанова И.В. О локальной рекристаллизации в монокристаллах никелевых жаропрочных сплавов // Металлургия машиностроения. 2013. № 1. С. 19–22.

22. Surface recrystallization of single crystal nickel-based superalloy / B. Zhang, X. Cao, D. Liu, X. Liu // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013. Vol. 23, is. 5. P. 1286−1292. https://doi.org/10.1016/s1006-706x(10)60031-3.