Способ защиты лопаток паровых и газовых турбин от солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток компрессора и турбины от солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии. Способ защиты лопаток паровых и газовых турбин от солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии включает проведение ионной имплантации перед нанесением многослойного покрытия и нанесение в вакууме многослойного покрытия. Перед нанесением многослойного покрытия проводят ионную имплантацию используя комбинации химических элементов Yb и В или комбинации Cr, Y, Yb, С, В, Zr с ионами N. Многослойное покрытие наносят многократным чередованием слоев эрозионно-стойких и коррозионно-стойких материалов, например Ti, Zr, Cr и их нитридов. Толщина слоя составляет от 100 нм до 2 мкм при общей толщине покрытия от 6 мкм до 100 мкм. Изобретение позволяет повысить стойкость покрытия к солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости и циклической прочности покрытия. 12 з.п. ф-лы, 5 табл.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток компрессора и турбины от солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии, при одновременном повышении выносливости и циклической долговечности.
В промышленности известен гальванический способ нанесения никель-кадмиевого (NiCd) покрытия на лопатки компрессора ГТД (Петухов А.Н. Усталость замковых соединений лопаток компрессоров // Труды ЦИАМ №1213, 1987. - 36 с.).
Недостатками этого способа являются невысокая устойчивость к солевой коррозии, экологический вред гальванического производства, а также вероятность наводороживания поверхности, обусловливающего снижение выносливости и циклической долговечности.
Также известен способ защиты стальных деталей машин от солевой коррозии последовательным осаждением в вакууме на поверхность пера первого слоя конденсированного покрытия сплава на основе никеля толщиной от 6 до 25 мкм и второго слоя покрытия на основе алюминия толщиной от 4 до 12 мкм (Полищук И.Е. Структура и свойства газотермических покрытий на основе интерметаллидов системы никель-алюминий // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. науч.тр. НАН Украины, Науч. Совет НАНУ по пробл. "Физика твердого тела". - Киев, 1998).
Недостатками этого способа являются высокая температура отжига (=610°С), которая приводит к изменениям в структуре материала (например таких сталей как 20Х13, ЭИ961, 15Х11МФ). Кроме того, процесс осаждения таких покрытий характеризуется высокой трудоемкостью (не менее 4 ч на садку) и материалоемкостью, при этом увеличение толщины покрытия приводит к существенному снижению ее усталостной и адгезионной прочности.
Известен способ защиты стальных изделий от солевой коррозии (преимущественно лопаток паровых турбин), включающий последовательное осаждение в вакууме первого слоя из титана толщиной от 0,5 до 5,0 мкм, затем нанесение второго слоя нитрида титана толщиной 6 мкм (Патент РФ №2165475 "Способ защиты стальных деталей машин от солевой коррозии", МПК7 С23С 14/16, 30/00, С22С 19/05, 21/04, 20.04.2001).
Основным недостатком этого способа является обеспечение недостаточно высокой стойкости наносимого покрытия к солевой коррозии (в связи с его пористостью) и недостаточной стойкости к капельно-ударной эрозии из-за малой толщины и твердости. При увеличении толщины покрытия происходит снижение ее усталостной и адгезионной прочности, что ухудшает эксплуатационные свойства деталей.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ защиты стальных деталей машин от солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии, заключающийся в том, что перед нанесением многослойного покрытия проводят ионную имплантацию ионами азота и постимплантационный отпуск, который совмещают с нанесением многослойного покрытия, а многослойное покрытие наносят многократным чередованием слоев титана, нитрида титана и нитрида титана, причем постимплантационный отпуск и нанесение многослойного покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл. (Патент РФ №2226227, кл. С23С 14/48, 27.03.2004).
Основным недостатком аналога является обеспечение недостаточно надежной защиты изделия от пылевой и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости, циклической прочности, что особенно важно при эксплуатации компрессорных лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) и лопаток паровых турбин, а также недостаточно широкого диапазона свойств защитных покрытий, снижающих возможность оптимизации покрытий по условиям эксплуатации защищаемых деталей.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение стойкости покрытия к солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости, циклической прочности, снижении трудоемкости практической реализации и расширение диапазона свойств защитных покрытий.
Технический результат достигается тем, что в способе защиты лопаток паровых и газовых турбин от солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии, включающем проведение ионной имплантации перед нанесением многослойного покрытия и нанесение в вакууме многослойного покрытия, в отличие от прототипа перед нанесением многослойного покрытия проводят ионную имплантацию, используя комбинации химических элементов Yb и В или комбинации Cr, Y, Yb, С, В, Zr с ионами N, причем многослойное покрытие наносят многократным чередованием слоев эрозионно-стойких и коррозионно-стойких материалов, например, чередованием слоев Ti, Zr, Cr и их нитридов. Толщина слоя может составлять от 100 нм до 2 мкм при общей толщине покрытия от 6 мкм до 100 мкм. Кроме того, возможны следующие варианты проведения дополнительной имплатационной обработки покрытия: после нанесения каждого слоя металла; после нанесения каждого слоя покрытия; после нанесения каждого слоя нитрида металла; при нанесении каждого слоя покрытия одновременно производят ионную имплантацию легирующими ионами. При этом в качестве легирующих ионов используют N, Cr, Y, Yb, С, В, Zr, а проведение постимплантационного отпуска совмещают с нанесением многослойного покрытия, причем постимплантационный отпуск и нанесение многослойного покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл, а ионную имплантацию проводят при энергии ионов 300-1000 эВ и дозе имплантации ионов 31019 ион/см".
Для исследования стойкости лопаток паровых и газовых турбин на солевую и газовую коррозии, газоабразивную и капельно-ударную эрозию были изготовлены образцы из стали 20Х13, которые были подвергнуты (указанным в таблице 1) вариантам обработки с целью получения защитных покрытий. Количество образцов группы бралось равным трем.
| Табл.1 | |||
| № Группы образцов | Имплантируемые ионы (в основу) | Имплантируемые ионы (в покрытие) | Материал слоев и схема их чередования |
| 1 (Прототип) | N | - | 4(Ti-TiN-TiN) |
| 2 | N+Cr | N | 4(Ti-TiN-TiN) |
| 3 | Y | N | 4(Ti-TiN-TiN) |
| 4 | Yb | Y | 4(Zr-ZrN-ZrN) |
| 5 | С | N | 4(Zr-ZrN-ZrN) |
| 6 | В | Cr, | 4(Ti-TiN-TiN) |
| 7 | Zr | Y | 4(Zr-ZrN-ZrN) |
| 8 | Y+N | Cr | 3(Cr-CrN-Cr-CrN) |
| 9 | Y+Zr | Zr | 3(Zr-ZrN-Zr-ZrN) |
| 10 | Y+Zr+N | Zr | 3(Zr-ZrN-Zr-ZrN) |
Режимы обработки образцов и нанесения покрытия: ионная имплантация (ионами N, Cr, Y, Yb, С,В, Zr) с энергией Е=300 эВ - 30 КэВ и дозой облучения Д=3·1019 ион/см2, с последующемим постимплантационным отпуском в вакууме при температуре 400°С в течение 1 ч с одновременным нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия (материал слоев и схема их чередования согласно таблице 1) Толщины слоев во всех случаях составляли: первый слой - Me толщиной около 1 мкм, второй слой - нитрид Me толщиной около 2 мкм. Количество слоев во всех случаях бралось равным 12 при общей толщине покрытия от 19 до 21 мкм.
Стойкость к солевой коррозии исследовалась по ускоренной методике Всероссийского института авиационных материалов (ВИАМ). Сущность методики испытания заключается в ускорении коррозионного процесса под влиянием ионов хлора при высоких и быстроменяющихся температурах и относительной влажности воздуха, приближенных к условиям эксплуатации лопаток. Необходимо заметить, что условия испытаний были выбраны гарантированно жестче, чем реальные условия эксплуатации при сохранении реальных механизмов коррозии.
В процессе испытаний производилось взвешивание образцов на аналитических весах модели ВЛР-200: в исходном состоянии; после испытаний: с продуктами коррозии на поверхности образцов; после удаления коррозионного налета химическим способом.
Кроме этого проводилась оценка глубины коррозионных повреждений общепринятым металлографическим методом на наклонных шлифах с углом наклона=3. Результаты коррозионных испытаний приведены в табл.2 и 3.
| Таблица 2 | ||||||
| Коррозионная стойкость. | ||||||
| Результаты внешнего осмотра | Результаты взвешивания, г. | Потеря массы, г | ||||
| № п/п | До удаления продуктов коррозии | После удаления продуктов коррозии | В исход. сост. | После испытаний | ||
| С продуктами корр. | После их удаления | |||||
| 1 | Продукты коррозии по всему периметру образца | Точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) | 34,8154 | 34,7594 | 34,6846 | 0,1308 |
| 2 | Продукты коррозии по всему периметру образца |
Точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) |
34,5618 | 34,5121 | 344872 | 0,0746 |
| 3 | Продукты коррозии по периметру образца | Отдельные точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) | 34,6713 | 34,6356 | 34,6180 | 0,0533 |
| 4 | Продукты коррозии по отдельным участкам образца | Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) | 33,9782 | 33,9501 | 33,9361 | 0,0421 |
| 5 | Продукты коррозии по отдельным участкам образца | Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) | 34,1271 | 34,1063 | 34,0959 | 0,0312 |
| 6 | Продукты коррозии по отдельным участкам образца | Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат.увеличении) | 34,2785 | 34,2384 | 34,2184 | 0,0601 |
| 7 | Продукты коррозии по отдельным участкам образца | Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) | 34,1778 | 34,1579 | 34,1477 | 0,0301 |
| 8 | Продукты коррозии по отдельным участкам образца | Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) |
34,6126 | 34,5923 | 34,5804 | 0,0322 |
| 9 | Продукты коррозии по отдельным участкам образца | Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) | 33,7289 | 33,7079 | 33,6949 | 0,0340 |
| 10 | Продукты коррозии по отдельным участкам образца | Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) | 34,3274 | 34,3042 | 34,2906 | 0,0368 |
| Таблица 3 | |||
| Оценка глубины коррозионных повреждений | |||
| № п/п | Толщина покрытия, мкм | Глубина повреждения покрытия, мкм | Глубина повреждения основного материала, мкм |
| 0 | без покрытия | без покрытия | 89 |
| 1 | Около 18 | Повреждение покрытия до основного материала | 6 |
| 2 | Повреждение покрытия до 9 мкм | нет | |
| 3 | Повреждение покрытия до 8 мкм | нет | |
| 4 | Повреждение покрытия до 6 мкм | нет | |
| 5 | Повреждение покрытия до 7 мкм | нет | |
| 6 | Повреждение покрытия до 9 мкм | нет | |
| 7 | Повреждение покрытия до 8 мкм | нет | |
| 8 | Повреждение покрытия до 11 мкм | нет | |
| 9 | Повреждение покрытия до 5 мкм | нет | |
| 10 | Повреждение покрытия до 4 мкм | нет |
| Таблица 4 | ||
| Стойкость к пылевой эрозии. | ||
| № п/п | Потеря массы, мкм | Увеличение стойкости, раз |
| 0 | 4,07 | - |
| 1 | 0,57 | 7,14 |
| 2 | 0,47 | 8,68 |
| 3 | 0,45 | 9,11 |
| 4 | 0,44 | 9,14 |
| 5 | 0,42 | 9,56 |
| 6 | 0,43 | 9,45 |
| 7 | 0,41 | 10,01 |
| 8 | 0,35 | 11,56 |
| 9 | 0,28 | 14,47 |
| 10 | 0,29 | 13,94 |
| Таблица 5 | |
| Стойкость к капельно-ударной эрозии. | |
| № п/п | Увеличение стойкости, раз |
| о | - |
| 1 | 2,87 |
| 2 | 3,59 |
| 3 | 3,78 |
| 4 | 4,15 |
| 5 | 4,98 |
| 6 | 5,67 |
| 7 | 6,62 |
| 8 | 5,13 |
| 9 | 3,69 |
| 10 | 7,15 |
Анализ результатов сравнительных коррозионных испытаний показал, что наилучшие защитные свойства обеспечивает предлагаемый способ нанесения многослойного покрытия. Образец, обработанный по предлагаемому способу, характеризуется наименьшей потерей массы и минимальной площадью поверхности, пораженной коррозией. При этом глубина наблюдаемых коррозионных повреждений не превысила толщины покрытия и не достигла основного материала, что свидетельствует о высокой надежности наносимого многослойного покрытия.
Стойкость к пылевой эрозии исследовалась по методике ЦИАМ (Технический отчет ЦИАМ "Экспериментальное исследование износостойкости вакуумных ионоплазменных покрытий в запыленном потоке воздуха" №10790, 1987. - 37 с.) в пескоструйной установке 12Г-53 струйно-эжекторного типа. Для обдува использовался молотый кварцевый песок с плотностью=2650 кг/м3, твердость HV=12000 МПа. Обдув производился при скорости воздушно-абразивного потока 195-210 м/с, температура потока 265-311 К, давление в приемной камере 0,115-0,122 МПа, время воздействия - 120 с, концентрация абразива в потоке до 2-3 г/м3, что несколько выше, чем концентрация пылевых частиц на входе в авиационный двигатель в реальных условиях. Результаты испытания приведены в табл.4. Из таблицы видно, что стойкость к пылевой эрозии у образца, обработанного по предлагаемой методике, увеличилась, приблизительно в 7…14 раз, а по сравнению с прототипом в 1,3…2 раза.
Стойкость к капельно-ударной эрозии исследовалась по методике МЭИ (Московского энергетического института) на стенде "Эрозия" при соударении жидких частиц размером 800 мкм и скоростью Суд=300 м/с.
Результаты исследования приведены в табл.5. Установлено, что стойкость к капельно-ударной эрозии у образцов, обработанных по предлагаемому способу, увеличилась приблизительно от 1,3 до 2,5 раз по сравнению с прототипом.
Дополнительно были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из стали 20Х13 на воздухе и коррозионной среде в соответствии с требованиями ГОСТ 9.302-88. В результате эксперимента установлено следующее: при испытаниях на воздухе условный предел выносливости (σ-1) образцов в исходном состоянии (без покрытия) составляет 320 МПа, у образцов, упрочненных по предлагаемому способу - до 380 МПа; при испытаниях в коррозионной среде условный предел выносливости образцов в исходном состоянии (без покрытия) составляет 180 МПа, у образцов, упрочненных по предлагаемому способу - до 320 МПа.
Повышение предела выносливости у обработанных образцов во всех видах испытаний указывает на то, что ионная имплантация с использованием комбинации химических элементов Yb и В или комбинации Cr, Y, Yb, С, В, Zr с ионами N, а также многослойное покрытие, нанесенное многократным чередованием слоев эрозионно-стойких и коррозионно-стойких материалов, например чередованием слоев Ti, Zr, Cr и их нитридов, при толщине слоя от 100 нм до 2 мкм и при общей толщине покрытия от 6 мкм до 100 мкм, при применении одного из следующих вариантов проведения дополнительной имплатационной обработки покрытия: после нанесения каждого слоя металла; после нанесения каждого слоя покрытия; после нанесения каждого слоя нитрида металла; при нанесении каждого слоя покрытия одновременно производят ионную имплантацию легирующими ионами, при использовании в качестве легирующих ионов N, Cr, Y, Yb, С, В, Zr, и проведении постимплантационного отпуска совмещенным с нанесением многослойного покрытия, в одном вакуумном объеме за один технологический цикл и проведении ионной имплантации при энергии ионов 300-1000 эВ и дозе имплантации ионов 3·1019 ион/см2 - значительно улучшает усталостные свойства материала как на воздухе, так и в коррозионной среде.
Аналогичные результаты также были получены для образцов из материала ЭИ961 и 15Х11МФ.
Таким образом, проведенные лабораторные исследования показали, что применение предлагаемого способа нанесения покрытия при использовании различных комбинаций имплантитуемых ионов на различных этапах формирования многослойного покрытия позволяет увеличить по сравнению с прототипом стойкость к солевой коррозии, пылевой (до 2 раз), капельной эрозии (до 2,5 раз), МПа), при уменьшении трудоемкости нанесения покрытия и расширении диапазона свойств покрытий, что подтверждает заявленный технический результат.
Пример конкретной реализации способа
Обработку поверхности лопаток паровых турбин по описываемому способу проводят после всех формообразующих механических обработок, включая полирование. Лопатку тщательно обезжиривают в ультразвуковой ванне и протирают бензино-ацетоновой смесью. Для удаления остатков влаги лопатку подвергают термообработке в сушильном шкафу при температуре от 60 до 65°С. После сушки лопатку устанавливают в вакуумную камеру, где создают вакуум не ниже 2·104 Па и проводят очистку ионами аргона в течение 12 мин с последующей ионной имплантацией азота и хрома по режиму
Имплантируемый ион - Азот
Энергия ионов 300-1000 эВ
Плотность ионного тока 5-10 мА/см2
Доза имплантации ионов 3·1019 ион/см2
Имплантируемый ион - Хром
Энергия ионов 300-1000 эВ
Плотность ионного тока 5-10 мА/см2
Доза имплантации ионов 3·1019 ион/см2
После этого в том же рабочем пространстве проводят вакуумный постимплантационный отпуск при температуре 400°С в течение 1 ч, совмещенный с нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия на основе титана и нитрида титана с последовательным чередованием слоев: первый слой - титан толщиной 1 мкм, второй слой - ε-нитрид титана толщиной 2 мкм, третий слой - α-нитрид титана толщиной 2 мкм, причем после нанесения каждого слоя титана производят имплантацию ионов азота по режиму: энергия ионов 300-1000 эВ, доза имплантации ионов 5·1018 ион/см2. Нанесение указанных слоев повторяют четыре раза и, тем самым, доводят толщину многослойного покрытия до величины 201 мкм. Режимы при нанесении покрытия: ток 1=140 А, напряжение U=140 В.
1. Способ защиты лопаток паровых и газовых турбин от солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии, включающий проведение ионной имплантации перед нанесением многослойного покрытия и нанесение в вакууме многослойного покрытия, отличающийся тем, что перед нанесением многослойного покрытия проводят ионную имплантацию, используя комбинации химических элементов Yb и В или комбинации Cr, Y, Yb, С, В, Zr с ионами N.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что многослойное покрытие наносят многократным чередованием слоев эрозионно стойких и коррозионно-стойких материалов.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что многослойное покрытие наносят многократным чередованием слоев Ti, Zr, Cr и их нитридов.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что толщина слоя составляет от 100 нм до 2 мкм при общей толщине покрытия от 6 до 100 мкм.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что ионную имплантацию проводят после нанесения каждого слоя металла.
6. Способ по п.4, отличающийся тем, что ионную имплантацию проводят после нанесения каждого слоя покрытия.
7. Способ по п.4, отличающийся тем, что ионную имплантацию проводят после нанесения каждого слоя нитрида металла.
8. Способ по п.4, отличающийся тем, что при нанесении каждого слоя покрытия одновременно производят ионную имплантацию легирующими ионами.
9. Способ по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что в качестве легирующих ионов используют N, Cr, Y, Yb, С, В, Zr.
10. Способ по п.4, отличающийся тем, что при нанесениии каждого слоя титана одновременно производят ионную имплантацию легирующими ионами.
11. Способ по п.10, отличающийся тем, что в качестве легирующих ионов используют N, Cr, Y, Yb, С, В, Zr.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что проводят постимплантационный отпуск, который совмещают с нанесением многослойного покрытия, причем постимплантационный отпуск и нанесение многослойного покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.
13. Способ по п.11, отличающийся тем, что ионную имплантацию проводят при энергии ионов 300-1000 эВ и дозе имплантации ионов 1010 до 5·1020 ион/см2.
