Способ обработки лопатки газотурбинного двигателя

Изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим методам обработки, в частности к способу размерной и упрочняющей обработки лопаток ГТД, и может быть использовано в турбомашиностроении при обработке рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, лопаток газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей. Способ обработки лопатки газотурбинного двигателя включает одновременное электрохимическое формирование профиля пера и прикомлевого участка и упрочняющую обработку. Упрочняющую обработку проводят методом ионной имплантации при энергии от 25 до 30 кэВ, дозой от 1,6·10¹⁷ см^-2 до 2·10¹⁷ см^-2 и со скоростью набора дозы от 0,7·10¹⁵ с^-1 до 1·10¹⁵ с^-1, причем используют ионы Cr, V, Y, Yb, C, B, Zr, N, La, Ti или их комбинации, а ионно-имплантационную упрочняющую обработку проводят после электрохимического формирования профиля пера и прикомлевого участка. Повышается усталостная прочность лопаток ГТД. 17 з.п. ф-лы, 1 пр.

 

Изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим методам обработки, в частности к способу размерной и упрочняющей обработки лопаток ГТД, преимущественно из хромсодержащих нержавеющих сталей сплавов, а также титана и титановых сплавов, и может быть использовано в турбомашиностроении при обработке рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, лопаток газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей, с целью обеспечения необходимых физико-механических и эксплуатационных свойств деталей турбомашин.

Рабочие лопатки компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) и газотурбинной установки (ГТУ), а также паровых турбин в процессе эксплуатации, подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, а также коррозионному и эрозионному разрушению. Исходя из предъявляемых к эксплуатационным свойствам требований, для изготовления лопаток компрессора газовых турбин применяются высоколегированные хромистые, хромомолибденовые (CrMo), хромомолибденованадиевые (CrMoV) и др. средне - и высоколегированные стали (например, для лопаток паровых турбин - стали марок 20X13 и 15Х11МФ, газовых турбин - стали 20X13, ЭИ 961). Эти стали относятся к числу нержавеющих сталей с содержанием Cr 11-14%, различающихся между собой содержанием легирующих элементов: C, Mo, V. Кроме того, для изготовления лопаток компрессора газовых турбин применяются титановые сплавы, которые по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость (например, титановые сплавы марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22 и др.).

Однако лопатки турбин из указанных сталей и сплавов обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения. Поэтому дефекты, образующиеся в процессе изготовления этих деталей недопустимы, поскольку вызывают возникновение интенсивных процессов разрушения. Это вызывает проблемы при механической обработке поверхностей деталей турбомашин. В этой связи развитие способов получения высококачественных поверхностей деталей турбомашин является весьма актуальной задачей.

Наиболее перспективными методами обработки лопаток турбомашин являются электрохимические методы полирования поверхностей [Грилихес С.Я. Электрохимическое и химическое полирование: Теория и практика. Влияние на свойства металлов. Л., Машиностроение, 1987], при этом наибольший интерес для рассматриваемой области представляют методы электролитно-плазменного полирования (ЭПП) деталей [например, Патент ГДР (DD) № 238074 (A1), кл. C25F 3/16, опубл. 06.08.86., а также Патент РБ № 1132, кл. C25F 3/16, 1996, БИ № 3].

Известен способ обработки металлических поверхностей, включающий анодную обработку в электролите [Патент РБ № 1132, кл. C25F 3/16, 1996, БИ № 3], а также способ электрохимической обработки [Патент США № 5028304, кл. B23H 3/08, C25F 3/16, C25F 5/00, опубл. 02.07.91].

Однако известные способы электрохимической обработки не позволяют получить качественный поверхностный слой материала, обеспечивающий повышенные эксплуатационные характеристики детали.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ размерной электрохимической обработки [А.С. СССР №1478520, МПК B23H 5/06, Способ размерной электрохимической обработки лопаток ГТД. Опубл. 20.09.2005]. Известный способ размерной электрохимической обработки лопаток ГТД включает электрохимическое формирование профиля пера, электрохимическое полирование и поверхностную пластическую деформацию. При этом для повышения усталостной прочности лопаток, перед электрохимическим полированием проводят дробеструйный наклеп, а при последующем электрохимическом полировании часть наклепанного слоя удаляют. Однако известный способ совмещения размерной и упрочняющей обработки не позволяет получить высокие эксплуатационные характеристики лопатки, в частности ее усталостную прочность, поскольку повторное электрохимическое воздействие после упрочняющей обработки снижает качество поверхностного слоя детали. В то же время используемый в прототипе [А.С. СССР №1478520] метод упрочняющей обработки лопатки может быть использован только перед полированием ее поверхности.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение, непосредственно после завершения процесса электрохимической обработки поверхности лопатки, защитно-упрочняющей обработки не ухудшающей микрогеометрию поверхности и обладающей эффектом легирования поверхностного слоя материала детали.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение усталостной прочности лопаток ГТД.

Технический результат достигается тем, что в способе обработки лопатки ГТД, включающем одновременное электрохимическое формирование профиля пера и прикомлевого участка, упрочняющую обработку, в отличие от прототипа, упрочняющую обработку проводят методом ионной имплантации при энергии от 25 до 30 кэВ, дозой от 1,6·10¹⁷ см^-2 до 2·10¹⁷ см^-2, со скоростью набора дозы от 0,7·10¹⁵ с^-1 до 1·10¹⁵ с^-1, в качестве ионов используют ионы Cr, V, Y, Yb, C, B, Zr, N, La, Ti или их комбинации, причем ионно-имплантационную упрочняющую обработку проводят после электрохимического формирования профиля пера и прикомлевого участка.

Технический результат достигается также тем, что в способе обработки лопатки ГТД, перед ионно-имплантационной упрочняющей обработкой проводят: либо электрохимическое полирование, либо электролитно-плазменное полирование, а перед полированием, как варианты способа, проводят дробеструйный наклеп, при этом отношение диаметра дроби к радиусу выходной кромки пера лопатки выбирают в пределах 0,3…4, а после дробеструйного наклепа, при полировании удаляют поверхностный слой толщиной 0,04…0,3 глубины наклепанного слоя.

Технический результат достигается также тем, что в способе обработки лопатки ГТД, после полирования, перед упрочняющей ионно-имплантационной обработкой проводят дробеструйный наклеп потоком микрошариков диаметром 10…80 мкм со скоростью 10…30 м/с.

Технический результат достигается также тем, что в способе обработки лопатки ГТД, ионную имплантацию проводят или в импульсном режиме, или в непрерывном режиме, а после ионно-имплантационной упрочняющей обработки проводят постимплантационный отжиг.

Технический результат достигается также тем, что в способе обработки лопатки ГТД, в качестве деталей ГТД используются лопатки компрессора газотурбинного двигателя из высоколегированных сталей или титановых сплавов, причем, после ионно-имплантационной упрочняющей обработки ионно-плазменным методом наносят покрытие: либо из сверхтвердых соединений одного из тугоплавких металлов IV-VI групп Периодической системы элементов (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W) с N, C, В или Si, либо многослойное покрытие из чередующихся слоев Me и соединений металлов с азотом - Me-N, углеродом Ме-С или углеродом и азотом - Me-NC, где Me - Ti, Zr, TiZr, a N - азот, C - углерод.

Заявляемый способ обработки лопатки газотурбинного двигателя осуществляется следующим образом. Обрабатываемую заготовку лопатки помещают в полость катода - инструмента, имеющего форму, соответствующую форме изготавливаемой лопатки, погружают в ванну с водным раствором электролита, подают на заготовку-анод потенциал и производят обработку детали до получения заданной формы и размеров. После размерной обработки электрохимическим или электролитно-плазменным методом производят ионно-имплантационную защитно-упрочняющую обработку и, при необходимости, нанесение защитного покрытия. Ионно-имплантационную обработку и нанесение покрытий проводят в одной установке комплексной ионно-имплантационной обработки и ионно-плазменного нанесения покрытий. Для этого, полученные заготовки лопаток помещают в камеру установки, создают необходимый вакуум, производят ионную очистку, затем ионно-имплантационную обработку, по окончании которой, при необходимости, производят нанесение защитного покрытия. После нанесения покрытия, не вынимая заготовки из вакуумной установки, проводят постимплантационный отжиг. Затем, после остывания заготовок лопаток их вынимают из установки и производят контроль качества обработки. Описанную последовательность операций ионной имплантации и нанесения защитного покрытия можно также производить в отдельных установках: ионно-имплантационной установке, ионно-плазменной установке для нанесения покрытий и вакуумной печи.

Электрохимическую размерную обработку заготовок, в зависимости от вида сплава, производят при плотностях тока от 30 A/дм² до 100 A/дм².

Электрохимическое полирование при плотностях тока от 0,1 A/дм² до 1,1 A/дм². Перед полированием может быть проведен дробеструйный наклеп. Использование дробеструйного наклепа перед электрохимическим полированием позволяет осуществить дополнительную упрочняющую обработку и удалить часть дефектов поверхностного слоя, возникших при электрохимической размерной обработке. При этом отношение диаметра дроби к радиусу выходной кромки пера лопатки выбирают в пределах 0,3…4. Соотношение между диаметром дроби и радиусом выходной кромки выбирается из соображений исключения перенаклепа тонких участков лопатки. При последующем полировании поверхности заготовки, удаляют поверхностный слой толщиной 0,04…0,3 глубины наклепанного слоя.

С целью осуществления дополнительной упрочняющей обработки, как вариант способа после полирования, перед упрочняющей ионно-имплантационной обработкой, может также проводиться дробеструйный наклеп потоком микрошариков диаметром 10…80 мкм со скоростью 10…30 м/с. Такая обработка позволяет уменьшить количество дефектов, возникающих в процессе электрохимического полирования, повысить однородность поверхностного слоя материала заготовки.

Ионную имплантацию можно проводить или в импульсном режиме или в непрерывном режиме. При этом в качестве имплантируемых ионов используются ионы таких элементов, как Cr, V, Y, Yb, C, B, Zr, N, La, Ti или их комбинации, при энергии от 25 до 30 кэВ, дозой от 1,6·10¹⁷ см^-2 до 2·10¹⁷ см^-2, со скоростью набора дозы от 0,7·10¹⁵ с^-1 до 1·10¹⁵ с^-1. После ионно-имплантационной упрочняющей обработки проводят постимплантационный отжиг, температура которого и время выдержки зависят от используемого для изготовления лопатки сплава, выбранного вида иона и дозы имплантации.

При необходимости защиты поверхности детали от воздействия разрушающих эксплуатационных факторов (например, эрозии, коррозии и т.п.), после ионно-имплантационной упрочняющей обработки, ионно-плазменным методом наносят покрытие из сверхтвердых соединений одного из тугоплавких металлов IV-VI групп Периодической системы элементов (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W) с N, C, B, Si или наносят многослойное покрытие из чередующихся слоев Me и соединений металлов с азотом - Ме-N, углеродом Me-C или углеродом и азотом - Me-NC, где Me - Ti, Zr, TiZr, a N - азот, - углерод.

При электролитно-плазменной обработке (полировании) к заготовке прикладывают положительное напряжение, а к электролиту - отрицательное (анодная обработка) или прикладывают к изделию отрицательное напряжение, а к электролиту - положительное (катодная обработка), в результате чего достигают формирования вокруг детали парогазовой оболочки и возникновения разряда между обрабатываемым изделием и электролитом. Обработку ведут в среде электролита при поддержании вокруг детали парогазовой оболочки. Под действием электрического напряжения (электрического потенциала между деталью и электролитом) в парогазовой оболочке возникает разряд, представляющий из себя ионизированную электролитическую плазму, обеспечивающую протекание интенсивных химических и электрохимических реакций между обрабатываемой деталью и средой парогазовой оболочки.

При подаче положительного потенциала на деталь, в процессе протекания указанных реакций происходит анодирование поверхности детали с одновременным химическим травлением образующегося окисла. Причем, при анодной поляризации парогазовый слой состоит из паров электролита, анионов и газообразного кислорода. Поскольку травление происходит, в основном, на микронеровностях, где образуется тонкий слой окисла, а процессы анодирования продолжаются, то в результате совместного действия этих факторов происходит уменьшение шероховатости обрабатываемой поверхности и, как следствие, полирование последней.

При катодной поляризации парогазовая оболочка вокруг детали состоит из паров электролита, катионов и газообразного водорода, поэтому наряду с химическим взаимодействием катионов с материалом поверхностного слоя детали, происходит возникновение в парогазовой оболочке микроискровых разрядов, что приводит к электроэрозионному и кавитационному воздействию на обрабатываемую поверхность.

Пример 1. Обрабатываемую заготовку лопатки турбомашины из хромистой стали марки 20X13 помещали в полость катода-инструмента, погружали в ванну с водным раствором электролита, а затем, прикладывая к детали положительное, а к электролиту - отрицательное напряжение производили ее обработку. Заготовки обрабатывались в среде электролита на основе водного раствора сульфата аммония концентрацией 0,8…3,4%. После размерной обработке детали подвергались электрохимическому полированию. При исходной высоте микронеровностей 0,63 мкм после процесса полирования она составила 0,12 мкм.

Кроме того, была проведена обработка сталей марок 15Х11МФ, ЭИ 961, ЭП - 718 (показавшая аналогичные результаты) в электролитах составов, мас.%:

1. (NH₄)₂SO₄ - 5; Трилон Б - 0,8.

2. содержащий серную и орто-фосфорную кислоты, блок-сополимер окисей этилена и пропилена и натриевую соль сульфированного бутилолеата при следующем соотношении компонентов, мас.%

Серная кислота - 10-30

Орто-фосфорная кислота - 40-80

Блок-сополимер окисей этилена и пропилена - 0,05-1,1

Натриевая соль сульфированного бутилолеата - 0,01-0,05

Вода - Остальное.

3. водные растворы солей неорганических кислот аммония и щелочных металлов или соли низших карбоновых кислот, а также растворы свободных кислот.

4. электролит содержащий аммонийную соль неорганической кислоты, аммонийные соли низших карбоновых кислот и органические или неорганические вещества, образующие с металлами сплава комплексные соединения.

5. водные растворы солей натрия (3-22%-ый раствор кислого углекислого натрия).

6. водные растворы хлористый аммоний, хлористый натрий.

7. водные растворы солей аммония (аммоний лимоннокислый одно- или двух-, или трехзамещенный, или их смеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Аммоний лимоннокислый одно-, или двух-, или трехзамещенный, или их смеси - 2-18,

Вода - Остальное).

На образцы из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе 20X13, 15Х11МФ, ЭИ961, ЭП866, ЭП708 после их размерной электрохимической обработки, полирования и ионно-имплантационной обработки, были нанесены покрытия по предлагаемому способу.

Режимы обработки образцов и нанесения покрытия по предлагаемому способу.

Ионная очистка: ионы аргона при энергии 6 кэВ - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 8 кэВ - удовлетворительный результат (У.Р.); 10 кэВ (У.Р.); 12 кэВ (Н.Р.); плотность тока: 110 МкА/см² (Н.Р.); 130 МкА/см² (У.Р.); 160 МкА/см² (У.Р.); 180 МкА/см² (Н.Р.); время ионной очистки: 0,1 часа (Н.Р.); 0,3 часа (У.Р.); 1,0 часа (У.Р.); 1,5 часа (Н.Р.).

Ионная имплантация ионами Cr, V, Y, Yb, C, B, Zr, N, La, Ti и их комбинации: энергия - 20 кэВ - Неудовлетворительный результат (Н.Р.); 25 кэВ - Удовлетворительный Результат (У.Р.); 30 кэВ (У.Р.); 40 кэВ (Н.Р.); доза - 1,2·10¹⁷ см^-2 (Н.Р.); 1,6·10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 2·10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 3·10¹⁷ см^-2 (Н.Р.); скоростью набора дозы - 0,4·10¹⁵ с^-1 (Н.Р.); 0,7·10¹⁵ с^-1 (У.Р.); 1·10¹⁵ c^-1 (У.Р.); 3·10¹⁵ с^-1 (Н.Р.).

Создание требуемого вакуума производилось турбомолекулярным насосом; создавали вакуум от 10^-5 до 100^-7 мм рт.ст.

После обработки деталей проводили постимплантационный отжиг, в одном вакуумном объеме установки за один технологический цикл.

Ионную имплантацию проводили как в импульсном, так и непрерывном режимах. В качестве деталей из титановых сплавов использовались лопатки компрессора газотурбинного двигателя, лопатки газотурбинной установки и лопатки паровой турбины.

Перед полированием, проводили дробеструйный наклеп, при этом отношение диаметра дроби к радиусу выходной кромки пера лопатки выбирали в пределах 0,3…4, (0,2 (Н.Р.); 0,3 (У.Р.); 0,8 (У.Р.); 1,6 (У.Р.); 2,4 (У.Р.); 4,0 (У.Р.); 4,6 (Н.Р.).

После дробеструйного наклепа, при полировании, удаляли поверхностный слой толщиной 0,04…0,3 глубины наклепанного слоя (0,02 (Н.Р.); 0,04 (У.Р.); 0,08 (У.Р.); 0,16 (У.Р.); 0,3 (У.Р.); 0,35 (Н.Р.).

После полирования, перед упрочняющей ионно-имплантационной обработкой проводили дробеструйный наклеп потоком микрошариков диаметром 10...80 мкм (8 мкм (Н.Р.); 10 мкм (У.Р.); 20 мкм (У.Р.); 40 мкм (У.Р.); 60 мкм (У.Р.); 80 мкм (У.Р.); 100 мкм (Н.Р.)) со скоростью 10...30 м/с (6 м/с (Н.Р.); 10 м/с (У.Р.);20 м/с (У.Р.); 30 м/с (У.Р.); 40 м/с (Н.Р.).

Покрытия наносили ионно-плазменным методом из сверхтвердых соединений одного из тугоплавких металлов IV-VI групп Периодической системы элементов (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W) с N, C, B или Si. Для Получения покрытий использовались следующие системы: Ti-N, Zr-N, Hf-N, V-N, Nb-N, Ta-N, Cr-N, Mo-N, W-N, Ti-C, Zr-C, Hf-C, V-C, Nb-C, Ta-C, Cr-C, Mo-C, W-C, Ti-C, Zr-Si, Hf-Si, V-Si, Nb-Si, Та-Si, Cr-Si, Mo-Si, W-Si. Кроме того, наносили многослойное покрытие из чередующихся слоев Me и соединений металлов с азотом - Me-N, углеродом Me-C или углеродом и азотом - Me-NC, где Me - Ti, Zr, TiZr, a N - азот, С- углерод.

Толщина слоя металла в паре: 40 нм (Н.Р.); 50 нм (У.Р.); 60 нм (У.Р.); 80 нм (Н.Р.). Толщина слоя соединений металла с азотом в паре: 200 нм (Н.Р.); 300 нм (У.Р.); 400 нм (У.Р.); 500 нм (Н.Р.).

Создание требуемого вакуума производилось турбомолекулярным насосом; создавали вакуум от 10^-5 до 10^-7 мм рт.ст.

Общая толщина покрытия-прототипа и покрытия, нанесенного по предлагаемому способу, составляла от 7 мкм до 15 мкм.

Электролитно-плазменное полирование проводили, погружая детали в водный раствор электролита и прикладывая к ним положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение, осуществляя следующие варианты: полирование вели до обеспечения шероховатости не ниже R_a=0,08…0,12 мкм; полирование вели при рабочем напряжении 18..490 В; как варианты, в качестве электролита использовали: водный раствор сульфата аммония с концентрацией 0,8…3,4; водный раствор, содержащий серную и орто-фосфорную кислоты, блок-сополимер окисей этилена и пропилена и натриевую соль сульфированного бутилолеата при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Серная кислота - 10-30

Орто-фосфорная кислота - 40-80

Блок-сополимер окисей этилена и пропилена - 0,05-1,1

Натриевая соль сульфированного бутилолеата - 0,01-0,05

Вода - Остальное.

Как варианты, в качестве электролита использовали: водные растворы солей неорганических кислот аммония и щелочных металлов или соли низших карбоновых кислот, а также растворы свободных кислот; электролит, содержащий аммонийную соль неорганической кислоты, аммонийные соли низших карбоновых кислот и органические или неорганические вещества, образующие с металлами сплава комплексные соединения; используют электролит состава, мас.%:

(NH₄)₂SO₄ - 5

Трилон Б - 0,8.

Как вариант, в качестве электролита использовали: электролит состава,

мас.%:

(NH₄)₃PO₄ - 5

Н₃РО₄ - 0,5

Тартрат K - 0,5;

Как вариант, в качестве электролита использовали: водные растворы солей натрия; в качестве водного раствора солей натрия используют 3-22%-ый раствор кислого углекислого натрия. В качестве электролита использовали: водные растворы солей аммония; в качестве соли аммония используют аммоний лимоннокислый одно- или двух-, или трехзамещенный, или их смеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: Аммоний лимоннокислый одно-, или двух-, или трехзамещенный, или их смеси - 2-18

Вода - Остальное.

Как вариант, в качестве электролита использовали: водные растворы солей со значением pH 4…9.

Испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из вышеприведенных марок сталей и сплавов на воздухе, показали, что условный предел выносливости (σ_-1) образцов, обработанных по вариантам предлагаемого способа, превышает, в среднем, величину условного предела выносливости образцов, обработанных по способу-прототипу [А.С. СССР №1478520, МПК B23H 5/06, Способ размерной электрохимической обработки лопаток ГТД. Опубл. 20.09.2005] от 1,1 до 1,4 раз.

Пример 2. Обработке подвергали заготовки лопаток турбомашины из титановых сплавов марок ВТ-1, ВТ-5, ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22. Для этого их помещали в полость катода-инструмента, погружали в ванну с водным раствором электролита, а затем прикладывая к детали положительное, а к электролиту - отрицательное напряжение производили их обработку. Заготовки обрабатывались в среде электролитов на основе водного раствора, в состав которых входили соли борфтористоводородной, кремнефтористой, гексафтортитановой или плавиковой кислот (NH₄BF₄; №2 SiF₆). Кроме того, использовались водные растворы электролитов, содержащие (8%-12%) NaNO₃ с добавками поверхностно-активных веществ от 2 до 8 г/м³.

После размерной обработки детали подвергались электрохимическому полированию. При исходной высоте микронеровностей 0,63 мкм после процесса полирования она составила 0,10 мкм.

Далее заготовки из указанных титановых сплавов были подвергнуты упрочняющей обработке как по способу- прототипу [А.С. СССР №1478520, МПК B23H 5/06, Способ размерной электрохимической обработки лопаток ГТД. Опубл. 20.09.2005], согласно приведенных в способе-прототипе условий и режимов обработки, так и по предлагаемому способу ионно-имплантационной упрочняющей обработки.

Режимы обработки образцов по предлагаемому способу.

Ионная очистка: ионы аргона при энергии 6 кэВ - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 8 кэВ - удовлетворительный результат (У.Р.); 10 кэВ (У.Р.); 12 кэВ (Н.Р.); плотность тока: 110 МкА/см² (Н.Р.); 130 МкА/см² (У.Р.); 160 МкА/с² (У.Р.); 180 МкА/см² (Н.Р.); время ионной очистки: 0,1 часа (Н.Р.); 0,3 часа (У.Р.); 1,0 часа (У.Р.); 1,5 часа (Н.Р.).

Ионная имплантация ионами Cr, V, Y, Yb, C, B, Zr, N, La, Ti и их комбинации: энергия - 20 кэВ - Неудовлетворительный результат (Н.Р.); 25 кэВ - Удовлетворительный результат (У.Р.); 30 кэВ (У.Р.); 40 кэВ (Н.Р.); доза - 1,2·10¹⁷ см^-2 (Н.Р.); 1,6·10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 2·10¹⁷ см^-2(У.Р.); 3·10¹⁷ см^-2 (Н.Р.); скорость набора дозы - 0,4·10¹⁵ с^-1 (Н.Р.); 0,7·10¹⁵ с^-1 (У.Р.); 1·10¹⁵ c^-1 (У.Р.); 3·10¹⁵ с^-1 (Н.Р.).

Создание требуемого вакуума производилось турбомолекулярным насосом; создавали вакуум от 10^-5 до 10^-7 мм рт.ст.

После обработки деталей проводили постимплантационный отжиг, в одном вакуумном объеме установки за один технологический цикл.

Ионную имплантацию проводили как в импульсном, так и непрерывном режимах.

Дробеструйная обработка и нанесение покрытий были произведены по тем же режимам и с теми же параметрами, что и в вышеприведенном примере (см. Пример 1).

В качестве деталей из титановых сплавов использовались лопатки компрессора газотурбинного двигателя, лопатки газотурбинной установки и лопатки паровой турбины.

Были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из титановых сплавов на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости

(σ_-1)образцов в исходном состоянии составляет 400 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу - 420 МПа, а по предлагаемому способу 440-480 МПа.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе обработки лопатки газотурбинного двигателя следующих приемов: одновременное электрохимическое формирование профиля пера и прикомлевого участка; упрочняющую обработку методом ионной имплантации при энергии от 25 до 30 кэВ, дозой от 1,6·10¹⁷ см^-2 до 2·10¹⁷ см^-2, со скоростью набора дозы от 0,7·10¹⁵ с^-1 до 1·10¹⁵ с^-1; в качестве ионов используют ионы Cr, V, Y, Yb, C, B, Zr, N, La, Ti или их комбинации; ионно-имплантационную упрочняющую обработку проводят после электрохимического формирования профиля пера и прикомлевого участка; перед ионно-имплантационной упрочняющей обработкой проводят: либо электрохимическое полирование, либо электролитно-плазменное полирование; перед полированием, проводят дробеструйный наклеп, при этом отношение диаметра дроби к радиусу выходной кромки пера лопатки выбирают в пределах 0,3…4, а после дробеструйного наклепа, при полировании удаляют поверхностный слой толщиной 0,04…0,3 глубины наклепанного слоя; после полирования, перед упрочняющей ионно-имплантационной обработкой проводят дробеструйный наклеп потоком микрошариков диаметром 10…80 мкм со скоростью 10…30 м/с; ионную имплантацию проводят или в импульсном режиме или в непрерывном режиме, а после ионно-имплантационной упрочняющей обработки проводят постимплантационный отжиг; в качестве деталей ГТД используются лопатки компрессора газотурбинного двигателя из высоколегированных сталей или титановых сплавов; после ионно-имплантационной упрочняющей обработки ионно-плазменным методом наносят покрытие: либо из сверхтвердых соединений одного из тугоплавких металлов IV-VI групп Периодической системы элементов (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W) с N, C, B или Si, либо многослойное покрытие из чередующихся слоев Me и соединений металлов с азотом - Me-N, углеродом Ме-С или углеродом и азотом - Me-NC, где Me - Ti, Zr, TiZr, a N - азот, C - углерод, позволяют достичь поставленного в заявляемом способе технического результата - повышения усталостной прочности лопаток ГТД.

1. Способ обработки лопатки газотурбинного двигателя, включающий одновременное электрохимическое формирование профиля пера и прикомлевого участка, упрочняющую обработку, отличающийся тем, что упрочняющую обработку проводят методом ионной имплантации при энергии от 25 до 30 кэВ, дозой от 1,6·10¹⁷ см^-2 до 2·10¹⁷ см^-2 и со скоростью набора дозы от 0,7·10¹⁵ с^-1 до 1·10¹⁵ с^-1, причем используют ионы Cr, V, Y, Yb, C, B, Zr, N, La, Ti или их комбинации, а ионно-имплантационную упрочняющую обработку проводят после электрохимического формирования профиля пера и прикомлевого участка.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед ионно-имплантационной упрочняющей обработкой проводят полирование электрохимическим методом или электролитно-плазменным методом.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что перед полированием проводят дробеструйный наклеп, при этом отношение диаметра дроби к радиусу выходной кромки пера лопатки выбирают в пределах 0,3…4, а при полировании удаляют поверхностный слой толщиной 0,04…0,3 глубины наклепанного слоя.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что после полирования перед упрочняющей ионно-имплантационной обработкой проводят дробеструйный наклеп потоком микрошариков диаметром 10…80 мкм со скоростью 10…30 м/с.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что ионную имплантацию проводят в импульсном режиме или в непрерывном режиме.

6. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что после ионно-имплантационной упрочняющей обработки проводят постимплантационный отжиг.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что после ионно-имплантационной упрочняющей обработки проводят постимплантационный отжиг.

8. Способ по любому из пп.1-4, 7, отличающийся тем, что детали ГТД используют в виде лопаток компрессора газотурбинного двигателя из высоколегированных сталей или титановых сплавов.

9. Способ по п.5, отличающийся тем, что детали ГТД используют в виде лопаток компрессора газотурбинного двигателя из высоколегированных сталей или сплавов или титановых сплавов.

10. Способ по п.6, отличающийся тем, что детали ГТД используют в виде лопаток компрессора газотурбинного двигателя из высоколегированных сталей или сплавов или титановых сплавов.

11. Способ по любому из пп.1-4, 7, 9, 10, отличающийся тем, что после ионно-имплантационной упрочняющей обработки ионно-плазменным методом наносят покрытие из сверхтвердых соединений одного из тугоплавких металлов IV-VI групп Периодической системы элементов: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W с N, C, B или Si.

12. Способ по п.5, отличающийся тем, что после ионно-имплантационной упрочняющей обработки ионно-плазменным методом наносят покрытие из сверхтвердых соединений одного из тугоплавких металлов IV-VI групп Периодической системы элементов: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W с N, C, B или Si.

13. Способ по п.6, отличающийся тем, что после ионно-имплантационной упрочняющей обработки ионно-плазменным методом наносят покрытие из сверхтвердых соединений одного из тугоплавких металлов IV-VI групп Периодической системы элементов: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W с N, C, B или Si.

14. Способ по п.8, отличающийся тем, что после ионно-имплантационной упрочняющей обработки ионно-плазменным методом наносят покрытие из сверхтвердых соединений одного из тугоплавких металлов IV-VI групп Периодической системы элементов: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W с N, C, B или Si.

15. Способ по любому из пп.1-4, 7, 9, 10, отличающийся тем, что после ионно-имплантационной упрочняющей обработки ионно-плазменным методом наносят многослойное покрытие из чередующихся слоев Me и соединений металлов с азотом - Me-N, углеродом Me-C или углеродом и азотом - Me-NC, где Me - Ti, Zr, TiZr, a N - азот, C - углерод.

16. Способ по п.5, отличающийся тем, что после ионно-имплантационной упрочняющей обработки ионно-плазменным методом наносят многослойное покрытие из чередующихся слоев Me и соединений металлов с азотом - Me-N, углеродом Me-C или углеродом и азотом - Me-NC, где Me - Ti, Zr, TiZr, a N - азот, C - углерод.

17. Способ по п.6, отличающийся тем, что после упрочняющей обработки ионно-плазменным методом наносят многослойное покрытие из чередующихся слоев Me и соединений металлов с азотом - Me-N, углеродом Me-C или углеродом и азотом - Me-NC, где Me - Ti, Zr, TiZr, a N - азот, C - углерод.

18. Способ по п.8, отличающийся тем, что после упрочняющей обработки ионно-плазменным методом наносят многослойное покрытие из чередующихся слоев Me и соединений металлов с азотом - Me-N, углеродом Me-C или углеродом и азотом - Me-NC, где Me - Ti, Zr, TiZr, a N - азот, C - углерод.