Способ формирования покрытия на рабочей охлаждаемой лопатке газовой турбины из никелевого сплава

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на лопатки газовых турбин из никелевых сплавов и может быть использовано в авиационной промышленности, машиностроении, энергетике и других отраслях промышленности. Предварительно обезжиренную лопатку размещают в камере промышленной ионно-плазменной установки. Перо лопатки защищают от воздействия потока плазмы с помощью экранирующего устройства. Создают в камере вакуум, после чего в режиме ионной очистки методом катодного распыления аргона под действием ионно-плазменного разряда производят очистку поверхности хвостовика лопатки. Затем в режиме образования ионной плазмы титана и азота на поверхности хвостовика лопатки формируют покрытие из нитрида титана. Охлаждают лопатку в вакууме, после чего в замкнутом рабочем пространстве циркуляционной установки осуществляют алитирование лопатки. Образованное в результате алитирования нитрида титана покрытие на хвостовике используют в качестве рабочего покрытия. Повышается эффективность защиты хвостовика лопатки в процессе ее химико-термической обработки при одновременном расширении функциональных возможностей покрытия.

 

Изобретение относится к покрытиям изделий из никелевых сплавов, в частности к способам формирования покрытия на изделиях из никелевых сплавов, и может быть использовано в авиационной промышленности, машиностроении, энергетике и других отраслях промышленности.

Известен способ формирования покрытия на изделии из никелевого сплава, включающий нанесение алюминия на поверхность изделия диффузионным методом в газовой среде (см. Братухин А.Г., Язов Г.К., Карасев Б.Е. и др. Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1997, с.131-143).

Покрытие, полученное данным способом, применимо только для работы в заданном температурном диапазоне, однако оно не применимо для работы при одновременном воздействии высоких температур и повышенных знакопеременных механических нагрузок, что обусловлено недостаточно высокими прочностными характеристиками покрытия, и может привести в процессе эксплуатации изделия к выкрашиванию жаростойкого покрытия, а также диффузионной зоны «основа - покрытие», что приведет к преждевременному разрушению изделия.

В качестве прототипа выбран способ формирования покрытия на рабочей охлаждаемой лопатке газовой турбины из никелевого сплава, включающий нанесение на ее хвостовик нитрида титана и последующее алитирование лопатки (Авторское свидетельство СССР №1574677 А1, С23С 8/02, опубл. 30.06.1990 г.).

В известном решении использование маскирующей смеси недостаточно эффективно для защиты хвостовика от алитирования в связи со сравнительно высокой дисперсностью частиц смеси и наличием между ними пор. Кроме того, данный способ формирования покрытия предусматривает последующее проведение механической обработки хвостовика (съем металла с нанесенным технологическим защитным покрытием) и операции по упрочнению замка лопатки, что повышает сложность технологического процесса и трудоемкость формирования окончательного покрытия на лопатке.

Технический результат предложенного способа - повышение эффективности защиты хвостовика лопатки в процессе ее химико-термической обработки при одновременном расширении функциональных возможностей покрытия, направленных на упрощение технологического процесса и снижение трудоемкости формирования окончательного покрытия на лопатке.

Указанный технический результат достигается тем, что способ формирования покрытия на рабочей охлаждаемой лопатке газовой турбины из никелевого сплава включает нанесение на ее хвостовик нитрида титана и последующее алитирование лопатки, при этом, согласно изобретению, нитрид титана наносят ионно-плазменным методом, алитирование проводят циркуляционным методом, а покрытие, образовавшееся на хвостовике, используют в качестве рабочего покрытия.

Ионно-плазменный метод нанесения нитрида титана (TiN) на хвостовик лопатки позволяет получить беспористое сплошное покрытие, повышая тем самым его защитную способность при алитировании лопатки.

Циркуляционный метод алитирования хвостовика лопатки с предварительно нанесенным на него ионно-плазменным покрытием TiN позволяет упрочнить поверхность хвостовика, т.к. в результате проведения экспериментальных исследований установлено, что указанный метод диффузионного насыщения ионно-плазменного покрытия TiN вызывает возникновение высоких остаточных сжимающих напряжений в поверхностной части никелевой основы хвостовика, повышающих его усталостную прочность, необходимую при работе хвостовика в условиях повышенных знакопеременных механических нагрузок. Возможность аналогичного воздействия на хвостовик лопатки другими методами формирования покрытия из TiN и Al заявителю не известна. Таким образом, отпадает необходимость проведения отдельной операции по упрочнению хвостовика, например, методом дробеструйного наклепа, благодаря чему упрощается технологический процесс изготовления лопатки.

Возможность использования полученного покрытия в качестве рабочего достигается благодаря свойствам TiN, который является весьма инертным материалом и практически не взаимодействует с агрессивными средами (кислотами, щелочами, расплавленными металлами). При этом, в результате диффузионного насыщения алюминием, твердость покрытия TiN значительно снижается, благодаря чему повышаются его механические свойства, обеспечивающие возможность работы покрытия в условиях повышенных знакопеременных механических нагрузок. В результате отпадает необходимость удаления покрытия химическим или иным способом, что снижает трудоемкость процесса формирования окончательного покрытия на лопатке.

Таким образом, на хвостовике лопатки получается покрытие, обладающее расширенными функциональными возможностями, позволяющими в процессе своего формирования упрочнить хвостовик, а в процессе постоянной работы - выполнять его защитную функцию.

Пример.

Охлаждаемые рабочие лопатки турбины, изготовленные из литейных никелевых сплавов, например, ЖС6УВИ, ЖС26ВИ, ЖС32ВИ и др., прошедшие финишную операцию механической обработки хвостовика и пера, предварительно обезжиренные, размещают в рабочей камере промышленной ионно-плазменной установки, например, в рабочей камере установки Булат. При этом перо каждой лопатки защищают от воздействия потока плазмы с помощью экранирующего устройства. В камере создают вакуум, после чего в режиме ионной очистки методом катодного распыления аргона под действием ионно-плазменного разряда происходит очистка поверхности хвостовиков лопаток. После этого в режиме образования ионной плазмы титана и азота на профиле хвостовиков лопаток формируют покрытие TiN. После окончания процесса ионно-плазменного нанесения покрытия TiN лопатки охлаждают в вакууме, после чего методом алитирования в замкнутом рабочем пространстве циркуляционной установки осуществляют поверхностное легирование алюминием каждой лопатки с покрытием из TiN на хвостовике, получая, таким образом, покрытие из TiN, диффузионным циркуляционным методом насыщенного алюминием.

Способ формирования покрытия на лопатке турбины из никелевого сплава, включающий нанесение покрытия с использованием нитрида титана на часть лопатки турбины и последующее поверхностное легирование лопатки алюминием, отличающийся тем, что предварительно обезжиренную лопатку размещают в камере промышленной ионно-плазменной установки, перо лопатки защищают от воздействия потока плазмы с помощью экранирующего устройства, в камере создают вакуум, после чего в режиме ионной очистки методом катодного распыления аргона под действием ионно-плазменного разряда производят очистку поверхности хвостовика лопатки, затем в режиме образования ионной плазмы титана и азота на поверхности хвостовика лопатки формируют покрытие из нитрида титана, лопатку охлаждают в вакууме и в замкнутом рабочем пространстве циркуляционной установки осуществляют алитирование лопатки, причем покрытие на хвостовике, образованное в результате алитирования нитрида титана используют в качестве рабочего покрытия.