Юрий Елисеев,
генеральный директор ММПП «Салют»;
Семен Скакальский,
зам. главного сварщика ММПП «Салют»

В современные титановые и никелевые сплавы, служащие основным материалом для изготовления большинства деталей и узлов ГТД, обладают недостаточными твердостью и износостойкостью, а в ряде случаев и недостаточной жаростойкостью. Поэтому на ММПП «Салют» повышения
износостойкости, например, лопаток компрессора добиваются методом напайки на бандажные полки упрочняющего материала ВТН-1, состоящего из твердых частиц карбида вольфрама (релит) и припоя ВПр-16 на титановой основе в качестве связки. Для реализации этого процесса спроектирована специальная установка, включающая вакуумную камеру, высокочастотное устройство и вакуумную систему. Она обеспечивает при толщине напаянного слоя 0,2-0,5 мм практически равномерный характер распределения частиц карбида вольфрама. В результате у лопаток компрессора с локальной напайкой композиционного материала ВТН-1 и восстановленных им же изношенных контактирующих поверхностей бандажных полок в несколько раз увеличивается срок работы.
К числу наиболее нагруженных деталей, определяющих ресурс современных ГТД, относятся рабочие лопатки турбины, которые в процессе эксплуатации подвержены действию высоких растягивающих, изгибо-пупьсирующих и контактных напряжений.
Поэтому их изготовляют в основном из литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, что обеспечивает работу в течение нескольких тысяч часов. Однако из-за высоких вибрационных и контактных напряжений, а также относительно низкой окалиностойкости этих сплавов в местах соприкасания бандажных полок между собой, происходит интенсивный износ их контактных поверхностей. Это сокращает ресурс лопатки до нескольких сотен часов, хотя замок, перо и полка еще пригодны к эксплуатации.
Для упрочнения и восстановления контактных поверхностей полок лопаток в различных НИИ и на ряде предприятий были опробованы многие способы. Наиболее перспективным признан способ высокотемпературной напайки пластин из более износостойкого материала с помощью локального источника энергии. Здесь за основу взят разработанный в МГТУ им.Н.Э.Баумана метод пайки дуговым разрядом полым катодом (ДРПК) в вакууме. Специализированная установка состоит из вакуумной камеры с приводом для вращения приспособления с лопатками, горелки с полым термоэмиссионным катодом, системы микроподачи плазмообразующего газа, вакуумной системы и источника питания для ДРПК.
В качестве катода в процессе ДРПК используется полый цилиндр из тугоплавкого металла (тантала или вольфрама) с внутренним диаметром от 2 до 6 мм и протоком рабочего плазмообразующего газа аргона от 0,1 до 3 мг/с. Благодаря этому внутри полости катода всегда имеются условия для
обеспечения необходимой концентрации плазмы при любых сколь угодно малых внешних давлениях в вакуумной камере. Контакт плазмы дугового разряда с полым катодом осуществляется по внутренней поверхности цилиндра.
Материал пластин, применяемых для упрочнения и восстановления бандажных полок, должен обладать более высокими жаростойкостью и горячей твердостью, чем материал лопатки.
После проведения ряда опытов был выбран никелевый сплав ВЖЛ, а в качестве припоя за базовый взят ВПр-27 в виде аморфной фольги толщиной 30-50 мкм.
Подготовка контактных поверхностей под пайку включает механическую обработку (шлифовку) и зачистку бандажной полки на 1,5-2 мм от паяемого соединения. Фольга прихватывается к упрочняющей пластине конденсаторной сваркой в двух-трех точках. Она берется на 2-3 мм шире пластины. И эта выступающая часть служит для визуального контроля за началом плавления припоя. Затем пластины собираются в приспособление, которое обеспечивает постоянное поджатие их к бандажным полкам лопаток в процессе пайки. Приспособление с лопатками загружается в камеру, где создается рабочее давление порядка (6-8)-10-2 Па.
При подаче аргона (0,5-1 мг/с) через полый катод происходит возбуждение плазменной дуги.
Измерения максимальных температур в бандажной полке с помощью термопар показали, что в месте перехода в перо они не превышали 800-850 град.С. Профиль пера и размеры всей лопатки не вышли из допустимых пределов. Эти данные свидетельствует о высокой локальности применяемого способа пайки и его незначительном термическом влиянии на наиболее нагруженные части лопатки — перо и замок.
Толщина паяного шва припоя ВПр-27, как правило, не превышает 510 мкм. Испытания на срез паяного соединения непосредственно на лопатках показали, что разрушение происходит по основному материалу пластин. Натурные испытания проводились на технологических изделиях в рабочем режиме.
Состояние лопаток оценивалось после наработки всеми способами контроля. Они подтвердили удовлетворительное качество паяного соединения и его высокую работоспособность. Упрочнение контактных поверхностей дуговой пайкой в вакууме позволило увеличить ресурс рабочих лопаток в 2-4 раза, а также восстанавливать их после наработки. При этом экслуатационные характеристики пера и замка лопаток практически не изменились.
Одним из современных процессов является вакуумно-плазменная технология высоких энергий (ВПТВЭ), разработанная в ВИАМ. Она позволяет наносить покрытия из однокомпонентных и многокомпонентных (металлических и неметаллических) материалов для защиты рабочих поверхностей деталей от воздействия продуктов сгорания топлива, никелевой эрозии и пр.
В этом процессе исходный материал переводится в плазменное состояние с энергией частиц 10-100 эВ. Плазма фокусируется в поток и ускоряется в направлении от катода напыляемого материала к аноду, проходя через деталь. В процессе взаимодействия с поверхностью детали она конденсируется, образуя покрытие. Процесс осаждения покрытий из ускоренных плазменных потоков обеспечивает:

  • возможность управления энергией частиц плазмы, взаимодействующих с покрываемой поверхностью;
  • возможность получения беспористых покрытий на поверхностях сложного профиля;
  • направленность потока плазмы, т.е. высокие значения коэффициента использования испаряемого материала.

Для реализации ВПТВЭ в ВИАМ разработана специальная установка, позволяющая наносить покрытие одновременно на 24 (или кратно 24) лопатки турбины или другие детали ГТД.
Покрываемые детали размещаются при помощи оснастки (кассеты) на планетарный механизм, обеспечивающий их вращение вокруг собственной оси и цилиндрического катода, выполненного из напыляемого материала (фото 5). В качестве защитных внедрены покрытия из сплавов СДП-2 системы NiCrAlY и ВСДП-11 системы AISiY. Они, в частности, обеспечивают защиту от окисления при температуре до 1100-1150 С лопаток 1 -и ступени двигателя АЛ-31Ф и трехкратное повышение их ресурса работы. После выработки ресурса покрытие с лопаток удаляется химическим травлением с последующим нанесением вновь. Его толщина — 50-70 мкм.
Применение ВПТВЭ обеспечивает высокую воспроизводимость параметров наносимого слоя (толщину, состав), возможность профилирования толщины наносимого слоя, нанесение покрытия на окончательно готовое изделие, качественное покрытие с минимальным объемом контроля в условиях серийного производства. Процесс экологически чистый, обладает исключительной стабильностью и повторяемостью. Таким образом, использование на ММПП «Салют» различных методов упрочнения и защиты деталей позволило значительно повысить качество и работоспособность выпускаемых двигателей.