Исследование работы вакуумно-дугового испарителя с протяженной зоной испарения для нанесения защитных покрытий на детали транспортных и энергетических газотурбинных установок

Язык труда и переводы:
УДК:
621.793
Дата публикации:
29 ноября 2021, 14:37
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Бенклян Артем Сергеевич
НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ
Будиновский Сергей Александрович
НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ
Татарников Сергей Владимирович
НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ
Аннотация:
Рассмотрены ключевые особенности работы перспективного вакуумно-дугового испарителя с протяженной зоной испарения для нанесения защитного покрытия на крупногабаритные изделия газотурбинной установки и предложены перспективы применения разработанных в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ защитных покрытий в производстве космических газотурбинных установок с применением серийно-выпускаемых трубных катодов.
Ключевые слова:
защитные ионно-плазменные покрытия, жаростойкие покрытия, коррозионной стойкие покрытия, вакуумно-дуговое осаждение, вакуумно-дуговая мультиэлектродная система, газотурбинная установка, газотурбинный двигатель
Основной текст труда

Начиная с 70-х годов XX в. для нанесения защитных покрытий и модифицирования свойств поверхности деталей из конструкционных и инструментальных сталей и сплавов в промышленности достаточно широко используются вакуумные ионно-плазменные технологии, базирующиеся на применении различных источников низкотемпературной газоразрядной или металлической плазмы [1–6], в том числе и для нанесения твердых покрытий из карбидов и нитридов металлов на инструмент, износостойких покрытий на пары трения. Генерация сильно ионизованной плазмы осаждаемого вещества в вакуумном дуговом разряде осуществляется с внешней поверхности катода, из материала покрытия, в роли которого может выступать любой металл или сплав. Основным преимуществом этих процессов является высокая энергия конденсирующихся частиц — ионов, существенно влияющая на зарождение, рост, морфологию и микроструктуру получаемых конденсированных покрытий.

Практически все существующие вакуумно-дуговые устройства имеют плоский цилиндрический катод и коаксиально расположенный с ним анод, поскольку они унаследовали эту геометрию от электроракетных двигателей (ЭРД), что естественно ограничивает максимальный допустимый размер обрабатываемых изделий размером зоны испарения катода и не позволяет применять ионно-плазменную технологию нанесения защитных покрытий на крупногабаритные изделия либо требует разработки оборудования с большим количеством испарителей.

На предприятиях авиастроительного комплекса России и некоторых зарубежных стран для нанесения защитных покрытий на детали горячего тракта газотурбинных двигателей используется созданная в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ установка ионно-плазменного напыления МАП-1 и ее современные модификации МАП-2 и МАП-3. Важной отличительной чертой установок типа МАП от серийно выпускаемых ионно-плазменных установок (типа «Булат», «Пуск» и др.) является то, что МАП создавалась для нанесения защитных покрытий толщиною порядка 100...150 мкм на рабочие лопатки турбин, что привело к отказу от традиционной коаксиальной конструкции вакуумно-дугового испарителя и применения крупногабаритного трубного катода размерами Ø180 мм х 340 мм и массой до 30 кг. В настоящее время МАП применяется для нанесения покрытий на крупногабаритные рабочие лопатки промышленных турбин, сопловые лопатки турбин с развитыми полками, сопловые аппараты компрессора и ряд других деталей по геометрии и размерам, существенно отличными от лопаток, под которые она создавалась. В связи с этим в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ работы проводятся работы по созданию нового оборудования для нанесения защитных покрытий на крупногабаритные детали ГТД с использованием серийно выпускаемых катодов для промышленных установок типа МАП из никелевых, кобальтовых и алюминиевых сплавов. Проводятся исследования вакуумно-дугового рабочего процесса опытных многокатодных (2–4 стандартных трубных катода) ионно-плазменных установок с секционированным анодом.

В работе представлены результаты исследований влияния магнитного поля от катодного электромагнитного фиксатора катодных пятен, загрузки установки покрываемыми деталями на вольтамперные характеристики (ВАХ) вакуумно-дугового разряда, распределение химического и фазового состава покрытия по поверхности имитатора крупногабаритного изделия в мультиэлектродной системе.

Современные перспективные космические задачи, в число в которых входят доставка тяжелых космических аппаратов на геостационарные орбиты, освоение Луны и Марса, полеты в дальний космос и многие другие потребуют наличие мощного источника энергопитания на борту пилотируемых аппаратов. Самым перспективным источником питания в данный момент выступает ядерная энергетическая установка с газотурбинным преобразователем энергии [7].

 Для космических задач крайне перспективны технологии, позволяющие увеличить ресурс и надежность работы составных узлов космического аппарата. В качестве способа повышения ресурса работы газотурбинного преобразователя возможно применение защитных покрытий, разработанных в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

В результате работы достигнуты следующие результаты.

  1. Представлены основные результаты по созданию новых ионно-плазменных установок для нанесения защитных ионно-плазменных покрытий для наземных ГТУ, разработанных в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.
  2. Установлено, что технологии, применяемые для повышения ресурса наземных ГТУ, могут найти свое применение и в космических ГТУ.
  3. Проведено комплексное исследование работы перспективного вакуумно-дугового испарителя с протяженной зоной испарения для нанесения защитного покрытия на крупногабаритные изделия ГТД и ГТУ.
Литература
  1. Способ защиты лопаток газовых турбин: пат. 2404286 Рос. Федерация. № 2009139016; заявл. 22.10.2009; опубл. 20.11.2010. Бюл. 16.
  2. Мубояджян С.А., Будиновский С.А. Ионно-плазменная технология: перспективные процессы, покрытия, оборудование // Авиационные материалы и технологии. 2017. №. S. С. 39–54. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-39-54
  3. Каблов Е.Н., Мубояджян С.А. Эрозионностойкие покрытия для лопаток компрессора газотурбинных двигателей // Электрометаллургия. 2016. № 10. С. 23–38.
  4. Мубояджян С.А, Александров Д.А., Луценко А.Н., Журавлева П.Л. Упрочнение поверхности титановых сплавов методом ионной имплантации и ионного модифицирования // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 2. С. 33–39. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-2-33-39
  5. Мубояджян С.А. Защитные покрытия для деталей горячего тракта ГТД // Все материалы: энциклопедический справочник. 2011. № 3. С. 26–30.
  6. Мубояджян С.А., Луценко А.Н., Горлов Д.С., Александров Д.А. Исследование возможности повышения служебных характеристик лопаток компрессора ГТД методом ионного модифицирования поверхности // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. № 1, ст. 02. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения 20.04.2020).
  7. Акимов В.Н. и др. Особенности построения и возможные применения мощных ядерных энергодвигательных установок перспективных космических аппаратов //Инженерный журнал: наука и инновации. 2019. № 6 (90). DOI: 10.18698/2308-6033-2019-6-1889
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.