Износостойкие покрытия лопаток, валов, дисков, подшипников; теплозащитные покрытия лопаток турбины, деталей камеры сгорания. Материалы и покрытия для производства и ремонта газотурбинных двигателей и установок

Спектр покрытий деталей и элементов ГТД разнообразен: это антифреттинговые и износостойкие покрытия элементов лопаточного аппарата, валов, дисков, подшипников; теплозащитные покрытия лопаточного аппарата турбины, деталей камеры сгорания, эрозионностойкие покрытия лопаточного аппарата компрессора; система уплотнительных покрытий.


Теплозащитные покрытия (ТЗП)

Основная функция ТЗП заключа­ется в снижении температуры на по­верхности деталей горячего тракта с целыо предотвращения деградации материала и увеличения срока служ­бы. Нанесение ТЗП па детали го­рячего тракта позволяет повысить температуру газа на входе в турбину при сохранении ресурса. Повышение температуры на каждые 50 °С приво­дит к рост)' КПД турбины на 2-4 %.

Эмалевые покрытия (рис. 2), на­носимые на внутренние поверхно­сти жаровых труб и газосборников, являются традиционным решением для увеличения ресурса камеры сго­рания путем предотвращения про­гара и деградации материала под действием высоких температур. Данные покрытия защищают от S- и V-коррозии, от прогара и локаль­ного перегрева, снижают среднюю температуру детали. Ресурс покры­тия на основе стеклоэмали ЭВК- 103, нанесенного на жаровые трубы двигателей ДГ-90 и ДН-80, состав­ляет около 3000 часов (по данным ГП НПКГ «Зоря»-«Машпроект»).

Однако существующие эмалевые по­крытия марки ЭВК-103 обладают низкой термостойкостью - до 250 циклов в режиме 20<->1000 °С.

На смену эмалевым приходят ке­рамические теплозащитные покры­тия (фото 1) с высокой термостой­костью - более 1000 циклов в режиме 20<->1100 °С по данным испытаний при одностороннем газовом нагреве и охлаждении тыльной стенки об­разца. Традиционные, или классиче­ские керамические покрытия на ос­нове оксида циркония, стабилизиро­ванного 7-8 % оксида иттрия, обла­дают низкой теплопроводностью ке­рамического слоя (1,60-2,00 Вт/м-К, по данным испытаний методом лазер­ной вспышки) и высокой жаростой­костью - более 500 часов без разру­шения при температуре 1000 °С. Ис­пытания в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» показали, что у керамических покрытий отсутствует негативное влияние на длительную прочность сплава, и в комплексе с высокой проч­ностью сцепления с материалом де­тали более 20 МПа (испытания про­водились по клеевой и штифтовой методикам) керамические покрытия становятся наиболее распространен­ным теплозащитным покрытием для всего горячего тракта ГТД (рис. 3).

Рассматривается применение теплозащитных покрытий ООО «ТСЗП» по программе создания рос­сийских ГТУ большой мощности. На установках ГТЭ-65 и ГТЭ-170 раз­работки и производства «Силовые машины» будут опробованы тепло­защитные покрытия на деталях ка­мер камеры сгорания (жаровая труба, газосборник), а также на ра­бочих лопатках и лопатках направ­ляющего аппарата первой и второй ступени ТВД (рис. 4).

Помимо внедрения новых по­крытий на вновь создаваемых двига­телях, компания особое место уде­ляет сервису и восстановительному ремонту существующего парка ГТД. В частности, были проведены меро­приятия по внедрению ТЗП при ре­монте ГТУ ДГ90 ГП НПКГ «Зоря»- «Машпроект»: восстановлено APS ТЗП на сопловых лопатках ТВД, за­менено эмалевое покрытие на керамическое ТЗП на деталях камеры сгорания, произведена замена ЕВ- PVD ТЗП на рабочих лопатках ТВД.

Современные условия диктуют новые требования к теплозащитным покрытиям:

■   стойкость к термоциклирова- нию 20<->1300 °С;

■   низкая теплопроводность (< 1,5 Вт/м-К) при Т~ 1300 °С;

■    минимальная деградация свойств в процессе эксплуатации (спекание, фазовые переходы) при температурах до -1300 °С;

■   высокая жаро-, эрозионная и коррозионная стойкость;

■    воспроизводимость свойств при серийном нанесении.

Инновации в области теплоза­щитных покрытий обязательно включают в себя технику и техно­логии их нанесения (рис. 5). Компа­ния «ТСЗП» использует современ­ные оптические системы для ла­зерной обработки (фото 3), позво­ляющие повысить термостойкость за счет сегментирования покры­тия, снизить шероховатость до Ra < 1,5 мкм, при этом формиру­ется оплавленный слой с высокой твердостью, стойкий к эрозион­ному износу и коррозии (фото 4).

Опыт внедрения:

■    ГП НПКГ «Зоря»-«Машпроект»: с 1998 года на оборудова­нии ТСЗП-Р выполняется нанесе­ние покрытий на детали горячего тракта серийно выпускаемых пред­приятием ГТД и ГТУ; наработка ло­паток с ТЗП ДГ90, ДУ80, ДН70 превысила 30 гыс. часов;

■   ОАО «УМПО»: выполнен ком­плекс НИР и ОКР, с 2000 года на уста­новках ТСЗП-Р-2000 выполняется нанесение покрытий на детали се­рийно изготавливаемых изделий 99, 96ФП, 117С и 117;

■    ФГУП «ММПП «Салют»: выполнен комплекс НИР и ОКР, осуществлена поставка (2001) и мо­дернизация (2013) оборудования плазменного напыления;

■    ОАО «КМПО»: выполнен комплекс НИР и ОКР, осуществ­лена поставка (2010) оборудования плазменного напыления;

АО «Силовые машины»: выпол­няется комплекс НИОКР по ГТЭ-170 и ГТЭ-65;

■    ОКБ им. А. Люльки: выполнен комплекс НИОКР, выполняется на­несение покрытий на серийно изготавливаемые детали.

Опыт импортозамещения

Компания наработала большой опыт восстановления деталей го­рячего тракта импортных газотурбин­ных установок (фото 5). В качестве примера можно привести нанесение двухслойного ТЗП взамен существую­щего на внутренний и внешний кор­пус жаровой трубы кольцевого типа газотурбинного двигателя SGT-600 производства Siemens. В ходе работ был нанесен металлический подслой Ni-Co-Cr-Al-Y (марка ТСЗП-ВС2) и ос­новной керамический слой ZrO_y- 7Y₂0₃ (марка ТСЗП-Т141). 

В отношении внутреннего ко­жуха (фото 6) решена задача обес­печения необходимого зазора между поясами жаровой трубы без приме­нения маскировки. На внешний ко­жух (фото 7) покрытие наносится на основную внешнюю цилиндриче­скую поверхность, нижнюю плос­кость (места установки форсунок) и внутреннюю цилиндрическую по­верхность за один технологический проход; также решена задача обес­печения необходимого зазора между поясами жаровой трубы без приме­нения маскировки. Текущая нара­ботка КС с покрытием ТСЗП в со­ставе ГПА «Балтика-25» превышает 4000 часов, дефекты не выявлены.



Уплотнительные покрытия (УП)

Увеличение радиального зазора ТВД (фото 8) на 1 % приводит к сни­жению КПД газотурбинного двига­теля примерно на 3 % и перерасход) топлива почти на 10 % [1]. Уменьше­ние радиальных зазоров за счет нане­сения наноструктурируемых уплотни­тельных (прирабатываемых) покры­тий способствует увеличению КПД двигателя на 2 % (абс, фото 9). Кроме радиальных зазоров, использование уплотнительных покрытий возможно для уплотнения масляных полостей (КНД, КВД, ТВД, ТНД), изготовле­ния уплотнительных вставок для уменьшения радиального зазора РЛ ТВД; нанесения на лабиринтные уплотнения опоры турбины (рис. 6).

Работы в области уплотнитель­ных покрытий для горячей сек­ции продолжаются из-за ряда недо­статков существующего решения (YSZ+Polyester): спекание и фазовый переход при 1200 °С (необходимо увеличение границы до 1300 °С); не­обходимость упрочнения лопатки (твердость покрытия ~ 500 HV); вы­сокий градиент температур из-за низкой теплопроводности - опти­мум ~ 10 Вт/м-К (рис. 7).

  

Жаростойкие покрытия

Проведены работы по восстанов­лению лопаток ВНА, ТВД, ТНД тур­бины ГТК-25ИР (фото 10) и лопаток ТВД турбины ГТН-25ИР (фото 11).

После ремонта лопатки ТВД на КС «Первомайская» отработали 20 022 часа, лопатки ТВД и ТНД на КС «Курск» отработали 19 269 ча­сов. Материалы для нанесения покрытий выбираются, исходя из условий эксплуатации деталей, осо­бенно учитывается влияние факто­ров высокотемпературного окисле­ния, коррозионная среда и их сочетание (рис. 8).

Заключение

ООО «ТСЗП» имеет положи­тельный опыт решения следующих задач по тематике восстановления деталей ГТУ:

■   повышение параметров ра­боты (ТТХ) без снижения ресурса;

■   повышение ресурса и продле­ние межремонтного периода;

■   ремонт ДСЕ после производ­ственного брака и после эксплуа­тации;

■   импортозамещение материа­лов и технологий производства и ре­монта ГТД и ГТУ;

■   реинжиниринг - разрабо

тка отечественных технологий, превос­ходящих по характеристикам при­меняемые аналоги.  

Литература

1.   А. А. Иноземцев, С. В. Бажин, М. А. Снитко. Вопросы оптимизации радиальных зазоров ТВД авиационного ГТД // Вестник двигателестроения. - 2012. -№ 2.

2.   А. Боцула. Экономичный способ повышения эффективности газотранс­портной системы // Территория Нефтегаз. - 2006. ~ №6.

Возврат к списку