The erosion resistance of Cr/CrN multilayer coating deposited using industrial Arc-PVD process for compressor blades application

• Autorzy: Góral Marek , Sasiela Dominik , Płoszaj Franciszek , Kościelniak Barbara , Kubaszek Tadeusz , Przybyło Adrianna

Identyfikatory

DOI

10.15199/40.2023.3.1

Warianty tytułu

PL

Odporność erozyjna wielowarstwowych powłok Cr/CrN osadzonych metodą Arc-PVD w warunkach przemysłowych do zastosowania na sprężarki silników lotniczych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This study presents the results of a study on the feasibility of using a commercial Cr/CrN multilayer coating to protect the surface of aircraft engine compressor blades made of stainless steel. The research was conducted for coatings composed of 10 and 14 alternating layers of chromium and chromium nitride, respectively. The both variants of coating was manufactured in Ion Galenica Company. Studies of its microstructure showed that their thickness did not exceed 3 μm. Studies of the erosion resistance of both coating variants showed about 50% less weight loss of the samples compared to the material without a protective coating. The highest erosion resistance was found for the 10-layer variant.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczących możliwości zastosowania komercyjnej wielowarstwowej powłoki Cr/CrN do ochrony powierzchni łopatek sprężarki silnika lotniczego wykonanych ze stali nierdzewnej. Przeprowadzono badania powłok złożonych z 10 i 14 naprzemiennych warstw chromu i azotku chromu, wykonanych w firmie Ion Galenica. Analiza mikrostruktury powłok wykazała, że ich grubość nie przekraczała 3 μm. Badania odporności erozyjnej obu wariantów powłoki wykazały o ok. 50% mniejsze spadki masy próbek w porównaniu z materiałem bez powłoki ochronnej. Największą odporność erozyjną stwierdzono w wypadku wariantu 10-warstwowego.

Słowa kluczowe

EN

PVD coatings; Cr/CrN; Arc-PVD; erosion resistance; compressor blade

PL

powłoki PVD; Cr/CrN; Arc-PVD; odporność erozyjna; łopatka sprężarki

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Ochrona przed Korozją
• Rocznik: 2023
• Tom: nr 3
• Strony: 66--70
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Góral Marek

• Rzeszow University of Technology, Research and Development Laboratory for Aerospace Materials, Żwirki i Wigury 4, Rzeszów, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-7058-510X

autor

Sasiela Dominik

• Ion Galenica, Wysoka Głogowska 16, 36-061 Wysoka Głogowska, Poland

autor

Płoszaj Franciszek

• Ion Galenica, Wysoka Głogowska 16, 36-061 Wysoka Głogowska, Poland

autor

Kościelniak Barbara

• Ion Galenica, Wysoka Głogowska 16, 36-061 Wysoka Głogowska, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-1683-0354

autor

Kubaszek Tadeusz

• Ion Galenica, Wysoka Głogowska 16, 36-061 Wysoka Głogowska, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-7006-4857

autor

Przybyło Adrianna

• Doctoral School of Engineering and Technical Sciences at the Rzeszow University of Technology, Powstanców Warszawy 12, Rzeszów, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3751-8762

Bibliografia

• [1] K. Dychtoń, P. Rokicki, A. Nowotnik, M. Drajewicz, J. Sieniawski. 2015. “Process Temperature Effect on Surface Layer of Vacuum Carburized Low-Alloy Steel Gears”. Solid State Phenomena 227: 425–428. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.227.425.
• [2] M. Drajewicz, M. Góral, B. Kościelniak, K. Ochał, T. Kubaszek, M. Pytel, P. Wierzba, R. Wojtynek. 2021. “The Influence of Process Parameters on Structure and Phase Composition of Boride Coatings Obtained on X39CrMo17-1 Stainless Steel”. Solid State Phenomena 320: 55–59. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.320.55.
• [3] B. Berthoul, A. Batailly, M. Legrand, L. Stainier, P. Cartraud. 2015. “Abradable Coating Removal in Turbomachines: A Macroscopic Approach for Various Wear Mechanisms”. ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition, Montréal, Canada.
• [4] M. Kot, W. Rakowski, J. Morgiel, Ł. Major. 2009. „Właściwości powłok wielowarstwowych o różnej grubości warstw Ti/TiN”. Tribologia 3: 59–67.
• [5] B. Surowska. 2002. Wybrane zagadnienia z korozji i ochrony przed korozją. Lublin: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej.
• [6] L. Swadźba, B. Formanek, H.M. Gabriel, P. Liberski, P. Podolski. 1993. “Erosion- and Corrosion-Resistant Coatings for Aircraft Compressor Blades”. Surface and Coatings Technology 62(1–3): 486–492. DOI: 10.1016/0257-8972(93)90288-Y.
• [7] P. Langholf, W. Eichmann, F. Heutling, T. Uihlein. 2008. New Environmental Friendly Systems – Erosion Resistant Coatings as a Means to Green Engines. IntAIRCOAT. MTU Aero Engines GmbH.
• [8] B. Mendala, L. Swadźba, M. Hetmańczyk. 1998. “Structure and Properties of Cr-CrN and Ti-TiN Multilayer Coatings Obtained by Arc-PVD Method”. Inżynieria Materiałowa 4: 998–1001.
• [9] M. Hetmańczyk, L. Swadźba, B. Mendala. 2007. “Advanced Materials and Protective Coatings in Aero-Engines Application”. Journal of Achievements of Materials and Manufacturing Engineering 24(1): 372–381.
• [10] J. Ratajski, A. Gilewicz, P. Bartosik, Ł. Szparaga. 2015. “Mechanical Properties of Antiwear Cr/CrN Multi-Module Coatings”. Archives of Materials Science and Engineering 75(1): 35–45.
• [11] R. Bayón, A. Igartua, X. Fernández, R. Martínez, R.J. Rodríguez, J.A. García, A. de Frutos, M.A. Arenas, J. de Damborenea. 2009. “Corrosion-Wear Behaviour of PVD Cr/CrN Multilayer Coatings for Gear Application”. Tribology International 42(4): 591–599. DOI: 10.1016/j.triboint.2008.06.015.
• [12] M. Góral, G. Mrówka-Nowotnik. 2020. “Protective Coatings for Aluminium Die Casting Moulds and Continuous Casting Moulds: A Review”. Ochrona przed Korozją 7: 216–219. DOI: 10.15199/40.2020.7.1.
• [13] M. Naveed, A. Obrosov, S. Weiss. 2015. “Investigation of the Wear Resistance Properties of Cr/CrN Multilayer Coatings against Sand Erosion”. Conference Papers in Science 2015: article ID 873543. DOI: 10.1155/2015/873543.
• [14] M. Drajewicz, M. Góral, M. Pytel, B. Kościelniak, T. Kubaszek, P. Wierzba, P. Cichosz. 2021. “The Duplex Coating Formation Using Plasma Nitriding and CrN PVD Deposition on X39CrMo17-1 Stainless Steel”. Solid State Phenomena 320: 43–48. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.320.43.
• [15] Zhao-yun Chen, Zhi-qiang Li, Xiang-hong Meng. 2009. “Structure, Hardness and Corrosion Behavior of a Gradient CrNx Thick Coating Applied to Turbine Blades”. Applied Surface Science 255(16): 7408–7413. DOI: 10.1016/j.apsusc.2009.04.009.
• [16] P. Wiecinski, J. Smolik, H. Garbacz, K.J. Kurzydłowski. 2015. “Thermal Stability and Corrosion Resistance of Cr/CrN Multilayer Coatings on Ti6Al4V Alloy”. Solid State Phenomena 237: 47–53. DOI: 10.4028/www.scientific.net/ssp.237.47.
• [17] J. Alqallaf, N. Ali, J.A. Teixeira, A. Addali. 2020. “Solid Particle Erosion Behaviour and Protective Coatings for Gas Turbine Compressor Blades – A Review”. Processes 8(8): 984. DOI: 10.3390/pr8080984.
• [18] L. Swadźba, A. Maciejny, B. Formanek, P. Liberski, P. Podolski, B. Mendala, H. Gabriel, A. Poznańska. 1996. “Influence of Coatings Obtained by PVD on the Properties of Aircraft Compressor Blades”. Surface and Coatings Technology 78(1–3): 137–143. DOI: 10.1016/0257-8972(94)02450-2.
• [19] B. Grégoire, G. Bonnet, F. Pedraza. 2019. “Development of a New Slurry Coating Design for the Surface Protection of Gas Turbine Components”. Surface and Coatings Technology 374: 521–530. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.06.020.
• [20] M. Toma. 1996. “Slurry Coatings with Low Cr6+ Content: Aluminum Overlay Coatings for Compressor Parts and Aluminide Coatings for Turbine Components”. April 30–May 2, Tulsa.
• [21] E.N. Kablov, S.A. Muboyadzhyan. 2017. “Erosion-Resistant Coatings for Gas Turbine Engine Compressor Blades”. Russian Metallurgy (Metally) 6: 494–504. DOI: 10.1134/S0036029517060118.
• [22] J. Kacpczyńska-Gołacka, P. Wieciński, H. Garbacz, A. Mazurkiewicz, S. Sowa, J. Smolik. 2019. “The Influence of Microstructure of Cr/CrN Nanomultilayer Coatings on Their Tribological and Mechanical Properties”. Journal of Ma- chine Construction and Maintenance 4(115): 9–16.
• [23] A.K. Krella, A. Czyzniewski, A. Gilewicz, G. Gajowiec. 2020. “Experimental Study of the Influence of Deposition of Multilayer CrN/CrCN PVD Coating on Austenitic Steel on Resistance to Cavitation Erosion”. Coatings 10(5): 487. DOI: 10.3390/coatings10050487.
• [24] S. Cen, X. Lv, B. Xu, Y. Xu. 2018. “The Effect of Gradient Bias Design on Electro-chemistry and Tribology Behaviors of PVD CrN Film in a Simulative Marine Environment”. Materials 11(9): 1753. DOI: 10.3390/ma11091753.
• [25] J.M. Lackner, W. Waldhauser, L. Major, J. Morgiel, M. Kot, B. Bajor. 2006. “Nano-crystalline Cr/CrN and Ti/TiN Multilayer Coatings Produced by Pulsed Laser Deposition at Room Temperature”. Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences 54(2): 175–180.
• [26] J. Smolik, A. Mazurkiewicz, J. Bujak, D. Paćko, Ł. Rogal. 2019. “Analysis of Fatigue Strength of Multi-Layer Coatings Type Cr/CrN/(CrN-Me1Me2N)multinano/ (Me1Me2N-VN)multinano”. Journal of Machine Construction and Maintenance, 3(114): 31–38.
• [27] Di Wang, Songsheng Lin, Yaohua Gong, Qian Shi, Hongzhi Yang, Jing Shi, Wei Wang, Mingjiang Dai, Bailing Jiang, Kesong Zhou. 2020. “Solid Particle Erosion Resistance of Cr-Base Gradient Multilayer Coatings”. Surface and Coatings Technology 402: 126352. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.126352.
• [28] F.C. Caiazzo, V. Sisti, S.P. Trasatti, S. Trasatti. 2014. “Electrochemical Characterization of Multilayer Cr/CrN-Based Coatings”. Coatings 4(3): 508–526. DOI: 10.3390/coatings4030508.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).