Способ ионно-имплантационной обработки лопаток компрессора из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для упрочняющей обработки пера рабочих лопаток компрессора газотурбинного двигателя или газотурбинной установки из высоколегированных сталей или сплавов на никелевой основе. Способ ионно-имплантационной обработки лопаток компрессора из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе включает размещение лопаток на держателе изделий внутри рабочей камеры вакуумной установки, вращение лопаток в держателе вокруг их собственной оси при одновременном перемещении их относительно имплантора за счет вращения держателя изделий вокруг его собственной оси и ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами азота при циклическом прохождении лопаток через зону имплантации до окончания полной обработки лопаток с последующим охлаждением лопаток вместе с рабочей камерой установки до нормальной температуры. Ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки проводят при энергии от 20 до 35 кэВ, дозой от 1,6⋅10¹⁷ см^-2 до 2,3⋅10¹⁷ см^-2, а за каждый цикл прохождения лопатки через зону имплантации ее поворачивают вокруг собственной оси на угол от 220 до 280 градусов. Каждый последующий вход упомянутой лопатки в зону имплантации осуществляют со сдвигом фазы ее вращения вокруг собственной оси на 10-20 градусов от угла ее предыдущего входа в зону имплантации. Обеспечивается повышение эксплуатационных характеристик деталей, а именно предела выносливости и циклической долговечности. 1 пр.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для упрочняющей обработки пера рабочих лопаток компрессора ГТД или ГТУ из высоколегированных сталей и сплавов на основе никеля для повышения выносливости и циклической долговечности деталей.

Известен способ восстановления рабочей поверхности лопатки турбины теплового двигателя, включающий удаление отработанного слоя потоком ионов плазмы тугоплавких материалов и нанесение жаростойкого покрытия с последующей термообработкой (А.С. СССР №1832132, МПК С23С 14/02, 1993).

Однако известный способ очистки поверхности (А.С. СССР №1832132, МПК С23С 14/02, 1993) потоком ионов плазмы инертного газа не предусматривает последующее ионно-имплантационное модифицирование, что не позволяет обеспечить комплекс необходимых повышенных эксплуатационных характеристик (выносливости, длительной прочности) деталей из сплавов на основе титана.

Известен также способ модификации поверхности деталей, включающий ионную очистку поверхности пучком ионов азота, ионную имплантацию и стабилизирующий отжиг (Патент РФ №20007501, МПК С23С 14/48, 1994).

Основным недостатком этого способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей из легированных сталей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ ионно-имплантационной обработки деталей из легированных сталей, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота (патент РФ №2116378, МПК С23С 14/48, 1998 г.; а также А.С. СССР №1642786, МПК С23С 14/48, Способ ионной имплантации. Опубл. 30.09.1994.). При этом обработка поверхности осуществляется путем имплантации ионного пучка с плотностью мощности 1⋅10³ Вт/см² с предварительным облучением поверхности импульсным ионным пучком с плотностью мощности 5⋅10⁶-10⁸ Вт/см² и удельной энергией в импульсе 0,5-10 Дж/см².

Основным недостатком аналога способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей из легированных сталей (предела выносливости, циклической долговечности). Это связано с недостаточно рациональными вариантами обработки поверхности деталей из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе при использовании методов ионно-имплантационного воздействия. При этом повышение указанных характеристик особенно важно для таких деталей из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе как лопатки компрессоров высокого давления газотурбинных двигателей (ГТД) и установок (ГТУ), а также лопаток паровых турбин.

Задачей, настоящего изобретения является создание такого поверхностного слоя материала детали, который позволил бы обеспечить повышенные эксплуатационные характеристики деталей из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе (предела выносливости, циклической долговечности).

Техническим результатом заявляемого способа является повышение эксплуатационных характеристик (предела выносливости, циклической долговечности) деталей из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе за счет обеспечения интенсификации ионно-имплантационной обработки поверхности деталей.

Технический результат достигается за счет того, что в способе ионно-имплантационной обработки деталей из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе, включающем размещение лопаток на держателе изделий внутри рабочей камеры вакуумной установки, вращение лопаток в держателе вокруг их собственной оси при одновременном перемещении их относительно имплантора за счет вращения держателя изделий вокруг его собственной оси и ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами азота при циклическом прохождении лопаток через зону имплантации до окончания полной обработки лопаток, с последующим охлаждением лопаток вместе с рабочей камерой установки до нормальной температуры, в отличие от прототипа, ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки проводят при энергии от 20 до 35 кэВ, дозой от 1,6⋅10¹⁷ см^-2 до 2,3⋅10¹⁷ см^-2, а за каждый цикл прохождения каждой лопатки через зону имплантации лопатка поворачивается вокруг собственной оси на угол от 220 до 280 градусов, причем каждое последующее вхождение упомянутой лопатки в зону имплантации происходит со сдвигом фазы вращения упомянутой лопатки вокруг собственной оси на 10-20 градусов от угла ее предыдущего вхождения в зону имплантации.

Для оценки эксплуатационных свойств лопаток газовых турбин были проведены следующие испытания. Образцы из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе были подвергнуты ионно-имплантационной обработке как по способу-прототипу (согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам обработки (патент РФ №2116378, МПК С23С 14/48, 1998 г), так и по режимам предлагаемого способа.

Режимы обработки образцов по предлагаемому способу.

Ионная имплантация ионами азота: энергия - 16 кэВ (Н.Р.); 20 кэВ (У.Р.); 35 кэВ (У.Р.); 40 кэВ (Н.Р.); доза - 1,4⋅10¹⁷ см^-2 (Н.Р.); 1,6⋅10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 1,8⋅10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 2,⋅10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 2,6⋅10¹⁷ см^-2 (Н.Р.).

Поворот лопатки вокруг собственной оси за каждый цикл ее прохождения через зону имплантации на угол: 200 градусов (Н.Р.); 220 градусов (У.P.); 240 градусов (У.Р.); 280 градусов (У.Р.); 300 градусов (Н.Р.).

Изменение угла каждого последующего вхождения лопатки в зону имплантации (сдвиг фазы ее вращения вокруг собственной оси): на 5 градусов (Н.Р.); на 10 градусов (У.Р.); на 15 градусов (У.Р.); на 20 градусов (У.Р.); на 25 градусов (Н.Р.).

Ионную имплантацию проводили в непрерывном режиме. В качестве деталей из легированных сталей использовались лопатки компрессора газотурбинного двигателя и лопатки газотурбинной установки. Для ионно-имплантационной обработки использовали протяженный генератор газовой плазмы, выполненный с возможностью обеспечения работы с азотом и имеющим размеры выходной апертуры 600×100 мм.

Были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе (ЭП718ИД, ЭИ787ВД, ЭИ961, ЭП866) на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости (σ_-1) образцов в исходном состоянии составляет 320 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу, - 350-360 МПа, МПа, а по предлагаемому способу - 375-385 МПа.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе ионно-имплантационной обработки деталей из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе, следующих приемов: размещение лопаток на держателе изделий внутри рабочей камеры вакуумной установки; вращение лопаток в держателе вокруг их собственной оси при одновременном перемещении их относительно имплантора за счет вращения держателя изделий вокруг его собственной оси; ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами азота при энергии от 20 до 35 кэВ, дозой от 1,6⋅10¹⁷ см^-2 до 2,3⋅10¹⁷ см^-2, при циклическом прохождении лопаток через зону имплантации до окончания полной обработки лопаток с последующим охлаждением лопаток вместе с рабочей камерой установки до нормальной температуры; осуществление поворота лопатки вокруг собственной оси на угол от 220 до 280 градусов за каждый цикл ее прохождения через зону имплантации; осуществление каждого последующего вхождения лопатки в зону имплантации со сдвигом фазы ее вращения вокруг собственной оси на 10-20 градусов от угла ее предыдущего вхождения в зону имплантации позволяет увеличить по сравнению с прототипом выносливость и циклическую прочность, что подтверждает заявленный технический результат предлагаемого изобретения - повышение предела выносливости и циклической долговечности обработанных деталей.

Способ ионно-имплантационной обработки лопаток компрессора из высоколегированных сталей или сплавов на никелевой основе, включающий размещение лопаток на держателе изделий внутри рабочей камеры вакуумной установки, вращение лопаток в держателе вокруг их собственной оси при одновременном перемещении их относительно имплантора за счет вращения держателя изделий вокруг его собственной оси и ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами азота при циклическом прохождении лопаток через зону имплантации до окончания полной обработки лопаток с последующим охлаждением лопаток вместе с рабочей камерой установки до нормальной температуры, отличающийся тем, что ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки проводят при энергии от 20 до 35 кэВ, дозой от 1,6⋅10¹⁷ см^-2 до 2,3⋅10¹⁷ см^-2, а за каждый цикл прохождения лопатки через зону имплантации ее поворачивают вокруг собственной оси на угол от 220 до 280 градусов, причем каждый последующий вход упомянутой лопатки в зону имплантации осуществляют со сдвигом фазы ее вращения вокруг собственной оси на 10-20 градусов от угла ее предыдущего входа в зону имплантации.