ПЛАЗМА ПРОТИВ ПАРА: ПОБЕДА ЗА ЯВНЫМ ПРЕИМУЩЕСТВОМ
Доктор технических наук С. МУБОЯДЖЯН, начальник лаборатории защитных покрытий ВИАМа.
Сердце самолета - его пламенный мотор. А где пламя, там высокие температуры. Особенно высоки они в газотурбинных двигателях, которые стоят на боевых реактивных самолетах. Перед создателями лопаток для турбин встала задача: получить материал жаропрочный и жаростойкий. Но оказалось, что легирование металла лопатки элементами, повышающими жаростойкость, снижает жаропрочность, и наоборот. Решить это противоречие удалось, легируя не все тело лопатки, а создавая защитное жаростойкое покрытие на ее поверхности. Для этого разработали технологию алитирования - диффузионное насыщение поверхностного слоя алюминием. Долгое время алитированные лопатки служили авиаторам верой и правдой.
Когда в конце 70-х годов ХХ века перед моторостроителями поставили задачу создать двигатели для самолетов третьего поколения МиГ-29 и Су-27, выяснилось, что при тех температурах, которые развивались в камерах сгорания мощных двигателей, ресурс лопаток не превышал 50 часов. Для защиты лопаток нужно было искать новые материалы и новые методы их нанесения.
На Западе в то время жаростойкие конденсированные покрытия наносили с помощью электронно-лучевого осаждения из парового потока. Процесс вели на установках, для которых требовалось здание высотой в несколько этажей. Внизу располагали насосы, на втором этаже - напылительную камеру с несколькими электронными пушками. Одни пушки нагревали лопатки, другие испаряли слиток из сплава никеля или кобальта с хромом и алюминием. Стоило такое оборудование более 30 млн долларов.
У нас в стране электронно-лучевыми установками занимались в Киеве в Институте электросварки им. Е. О. Патона. Там разработали и испытали аппарат УЭ-175. Был выпущен приказ Министерства авиационной промышленности об изготовлении для моторостроителей ста таких установок. Однако при электронно-лучевом напылении возникал ряд проблем, которые принципиально нельзя было устранить. Во-первых, это касалось адгезии: при малейшем нарушении электронно-лучевой технологии покрытия слезали с лопаток "чулком". Во-вторых, было необходимо непрерывно контролировать множество параметров в жестких пределах. В-третьих, при электронно-лучевой обработке приходилось тщательно подбирать состав испаряемого сплава (в него входят металлы с различной температурой испарения, а значит, и испаряются они с разной скоростью). Чтобы внедрить покрытие нового состава, приходилось проделывать сотни экспериментов по подбору исходного сплава. Наконец, перед напылением лопатки нужно было специально обрабатывать, механически выглаживая поверхность до 9-10-го класса чистоты, то есть до зеркального блеска, а это достаточно трудоемкий процесс.
В ВИАМе решили идти другим путем - применить метод ионно-плазменного напыления. Его суть в том, что в вакуумной камере с остаточным давлением 2·10-4 мм рт. ст. (почти на два порядка выше, чем необходимо для электронно-лучевого напыления) зажигается дуга между находящимся в центре цилиндрическим катодом и расположенным по периферии кольцевым анодом. Ток дуги нагревает локально (в катодном пятне) катод настолько, что его материал испаряется и ионизируется. В промежутке между катодом и анодом расположены лопатки, на которые тоже подается электрическое напряжение, и ионы попадают не только на анод, но и на лопатки, ускоряясь электрическим полем.
Вначале ионами с высокой энергией от 300 до 600 эВ в течение 3-5 мин очищали поверхность травлением. Одновременно за счет бомбардировки ионами лопатка нагревалась до 700-800°С. Затем начинался процесс осаждения. Перед этим напряжение на лопатках снижали, чтобы энергия ионов не превышала 50-100 эВ. Благодаря идеальной чистоте поверхности между осаждаемым материалом и материалом лопатки возникала металлургическая связь, то есть пленка и подложка образовывали монолит. С того времени мы напылили миллионы лопаток, и ни разу не было случая отслоения покрытия.
Кроме того, в отличие от электронно-лучевого напыления, при ионно-плазменном нужно контролиро вать всего два параметра - ток дуги и напряжение на лопатках. Это совсем несложно, поэтому нам удалось добиться высокой повторяемости результатов. Наконец, состав покрытия всегда тот же, что и у материала катода, и, следовательно, освоение новых покрытий не представляет трудностей - лишь бы катод был изготовлен качественно.
К 1980 году мы подготовили проект ионно-плазменного оборудования, и в 1981 году совместно с заводом им. В. В. Чернышева по нашим чертежам построили три экспериментальных образца: один - для ВИАМа и два - для самого завода. В том же году мы их внедрили.
Это была ионно-плазменная установка МАП-1 с вакуумно-дуговым способом испарения. Одновременно в камеру можно было загружать 48 или 96 лопаток. Их устанавливали на держателях, которые для равномерного напыления вращались вокруг своей оси и вокруг катода с помощью планетарного механизма - примерно как карусели в парках аттракционов.
После государственных испытаний было принято решение начать серийный выпуск нашей установки. В конце 1983 года мы напылили первые лопатки для двигателя МиГ-27. После этого наши установки начали работать на заводе "Салют", где изготавливали двигатели для самолетов П. О. Сухого.
Хотя наши установки работали надежно, в первое время на заводе им. В. В. Чернышева случались проблемы. Техника была совсем новая, вакуумная, а с вакуумом до того момента заводчане дела не имели. Чуть что - вызывали разработчиков, чтобы мы помогли разобраться, подсказать. Если звонили днем, то приезжали и разбирались. Но установка работала в три смены, и часто звонки раздавались ночью. А как ночью доедешь из Лианозова, где я жил, до Тушина? С завода присылали машину. Хорошо, если легковую, а как-то пришлось добираться на дежурном самосвале. Но постепенно тревожных звонков становилось все меньше, и уже через год производство вошло в нормальный ритм.
Если с выбором в пользу ионно-плазменного напыления все было ясно, то по напыляемым материалам шли споры. Киевляне предлагали покрывать лопатки для МиГа сплавом СДП-1 на основе системы Ni-Cr-Co-Al-Y. Мы же считали, что на этом двигателе такой состав не оптимален и лучших результатов можно добиться со сплавом СДП-2, в который входили только никель, хром, алюминий и иттрий. Кобальта, резко повышающего коэффициент термического расширения, в нем не было.
Приняли решение провести испытания разных покрытий. Сделали "ромашку": поставили на турбину лопатки нескольких вариантов, в том числе выпускавшиеся серийно алитированные. Испытания показали нашу правоту, поскольку покрытие СДП-1 на лопатках складывалось буквально в гармошку. Алитированные лопатки вообще не доходили до финиша.
Но все равно сомнения оставались, поскольку на использовании СДП-1 настаивали специалисты такой авторитетной организации, как Институт электросварки им. Е. О. Патона. Я же отстаивал сплав СДП-2 и, хотя был тогда всего лишь кандидатом наук, нашел поддержку у руководства ВИАМа. Правда, меня предупредили, что если я ошибся, то останусь без головы. Однако наша точка зрения оказалась правильной, и голову я сохранил.
Установки ВИАМа внедрили и на других заводах: в Уфе, Тюмени, Перми, Рыбинске. Там тоже начали делать конденсированные покрытия, как еще называют наш метод. Ресурс двигателя сразу увеличился в четыре раза и достиг 200 часов. Но этого тоже недостаточно.
Шахматная Королева из "Алисы в зазеркалье" Льюиса Кэррола говорила, что нужно бежать со всех ног, чтобы остаться на месте, а чтобы двигаться вперед, нужно бежать по меньшей мере вдвое быстрее. Вот и мы стали работать еще энергичнее и к 1987 году придумали и запатентовали покрытие нового класса - конденсационно-диффузионное.
Как известно, у лопатки есть несколько участков: входная кромка, "корыто", "спинка", выходная кромка. И все они работают при разных напряженных состояниях, при разных температурах ("спинка", например, всегда холоднее "корыта"). Из-за этого в теле лопатки возникают термические напряжения. Идея была в том, чтобы на входную кромку - самую горячую часть - после напыления сплава СДП-2 дополнительно наносить покрытие из нашего ВИАМовского сплава ВСДП-16 на основе алюминия. Дальше лопатки с нанесенным покрытием отжигали в вакууме. При отжиге происходила диффузия алюминия, и в поверхностном слое толщиной 30 мкм его содержание увеличивалось с 10 до 20%, а ресурс лопатки возрастал до 600 часов.
Для лопаток последних ступеней турбины, где температурные условия не такие экстремальные, продолжали применять порошковое алитирование. А мы придумали альтернативный процесс ионно-плазменного алитирования. Изюминка была в том, что мы сразу легировали покрытие кремнием и иттрием, которые входили в состав испаряемого сплава ВСДП-11. Покрытия получались очень пластичными с пониженным до 18-20% содержанием алюминия (обычный алитированный слой содержал 26-28% алюминия). Наши покрытия вдвое увеличивали срок службы лопаток. Как и все предыдущие разработки ВИАМа, это покрытие тоже начали широко применять на многих заводах.
Среди последних достижений института - создание комплексно легированных ионно-плазменных покрытий. То есть мы можем вводить в покрытие любой элемент в строго необходимом количестве. Такие покрытия, в частности, используются для защиты от сульфидной коррозии. Для авиации это не так актуально, а, например, на промышленных двигателях, работающих на топливе с повышенным содержанием серы, такое покрытие намного повышает срок эксплуатации.
Когда удалось наладить производство покрытий для лопаток турбин, мы занялись лопатками компрессора. Их надо было защитить от эрозионного износа. Многие газотурбинные двигатели работают в запыленной среде, и лопатки быстро изнашиваются. Давление на выходе компрессора падает, и происходит помпаж двигателя, то есть срыв воздушного потока, и дальше - катастрофа. Во время операции "Буря в пустыне" американские вертолеты могли делать всего один вылет, после чего двигатель надо было менять.
Наши специалисты испробовали сотни вариантов различных покрытий. Оказалось, что наиболее стойкие против абразивного износа - нитриды и карбиды титана, хрома, циркония. Важное значение имеет толщина покрытия. Если она меньше 10 мкм, то пылевой поток просто ломает пленку. При большей толщине пленка разрушается только в результате износа. Для лопаток компрессора оптимальными оказались покрытия толщиной 15-20 мкм - с их применением эрозионная стойкость возросла на порядок.
Чтобы напылять карбиды и нитриды, мы несколько видоизменили установку: добавили газовый блок, с помощью которого в камеру подавали газ - азот (для нитридов) или ацетилен (для карбидов). Если подавать еще кислород с аргоном, то можно получать керметы - металлокерамические композитные материалы, также используемые в авиации.
В конце 1990-х годов в ВИАМе разработали новый процесс термодиффузионного насыщения материала детали материалом катода. На деталь подают повышенное электрическое напряжение, чтобы быстро разогреть ее и обеспечить так называемую термостимулированную ионную диффузию. В этом случае вакуумный отжиг уже не нужен.
Обобщая, можно сказать, что ионно-плазменные процессы очень гибкие. Всего лишь меняя напряжение на детали, можно осаждать на ней различные материалы, проводить диффузию или насыщение, а также ионное травление.
Все это доступно на новой компьютеризированной установке МАП-2. На ней напыляют чистые металлы, сплавы, нитриды, карбиды, карбонитриды, оксикарбонитриды. Сделав составной катод из двух разных материалов, можно получать многослойные структуры. Сейчас даже трудно сказать, какие перспективы это откроет перед нами.
См. в номере на ту же тему
Е. КАБЛОВ - ВИАМ - национальное достояние.
А. ЖИРНОВ - Крылатые металлы и сплавы.
М. БРОНФИН - Испытатели - исследователи и контролеры.
И. ФРИДЛЯНДЕР - Старение - не всегда плохо.
Б. ЩЕТАНОВ - Тепловая защита "Бурана" началась с листа кальки.
БЮРО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.
Э. КОНДРАШОВ - Без неметаллических деталей самолеты не летают.
И. КОВАЛЕВ - В науку - со школьной скамьи .
С. КАРИМОВА - Коррозия - главный враг авиацииc.
А. ПЕТРОВА - Посадить на клей.
Читайте в любое время
