Способ упрочнения лопаток моноколеса из титанового сплава

Изобретение относится к способу упрочнения лопаток моноколеса из титанового сплава. Способ включает ионно-имплантационную обработку материала поверхностного слоя лопаток энергией от 20 кэВ до 35 кэВ и дозой от 1,6⋅10¹⁷ см^-2 до 2,0⋅10¹⁷ см^-2 с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев. Слои титана с ванадием наносят толщиной от 0,15 мкм до 0,25 мкм, слои соединений титана с ванадием и азотом - толщиной от 1,2 мкм до 2,3 мкм при общей толщине многослойного покрытия от 7,0 мкм до 11,0 мкм. Перед ионно-имплантационной обработкой проводят электролитно-плазменное полирование при напряжении от 280 В до 300 В, в водном растворе с содержанием от 5 до 8 вес. % гидроксиламина солянокислого и KF от 0,7 до 0,8 вес. % При нанесении покрытия моноколесо вращают одновременно относительно его продольной и поперечной осей с одновременным приданием моноколесу колебательных движений относительно его поперечной оси. Нанесение титана и ванадия на лопатки производят одновременно с электродугового испарителя для титана и расположенного напротив него электродугового испарителя для ванадия. В результате получают моноколесо с защитой пера лопаток от эрозионного разрушения при одновременном повышении их выносливости и циклической долговечности. 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов от эрозионного разрушенияпри одновременном повышении их выносливости и циклической долговечности.

Известен способ полирования металлических поверхностей, включающий анодную обработку в электролите [Патент РБ №1132, МПК C25F 3/16, 1996, БИ №3], а также способ электрохимического полирования [Патент США №5028304, МПК В23Н 3/08, C25F 3/16, C25F 5/00, опубл. 02.07.91.]

Известные способы электрохимического полирования не позволяют производить качественное полирование поверхности детелей из титановых сплавов.

Известен также способ электролитно-плазменного полирования деталей из титановых сплавов [Патент РФ №2373306, МПК C25F 3/16. Способ многоэтапного электролитно-плазменного полирования изделий из титана и титановых сплавов. Бюл. №32, 2009], включающий погружение детали в электролит, содержащий окислитель, фторсодержащее соединение и воду, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на обрабатываемую деталь электрического потенциала.

Однако известный способ [Патент РФ №2373306, МПК C25F 3/16] является многостадийным, что приводит с одной стороны к возрастанию сложности процесса обработки деталей, снижению качества и надежности процесса обработки из-за необходимости обеспечения большего количества параметров процесса и их соотношений, а также к повышению его трудоемкости.

Известен способ ионно-плазменного нанесения защитных покрытий на детали турбомашин (патент США №9,765,635. МПК F01D 5/14. Erosion and corrosion resistant protective coatings for turbomachinery. Опубл. 2017 г). Покрытие образуется путем конденсации материала при ионной бомбардировке из металло-газообразного плазменного потока. Причем кинетическая энергия ионов осажденных металлов превышает 5 эВ.

Известен также способ вакуумного ионно-плазменного нанесения покрытий на подложку в среде инертного газа, включающий создание разности электрических потенциалов между подложкой и катодом и очистку поверхности подложки потоком ионов, снижение разности потенциалов и нанесение покрытия, проведение отжига покрытия путем повышения разности потенциалов, причем ионный поток и поток испаряемого материала, идущий от катода к подложке, экранируют, очистку проводят ионами инертного газа, после очистки экраны отводят и покрытие наносят в несколько этапов до получения требуемой толщины (Патент РФ 2192501, С23С 14/34, опубл. 10.11.2002).

Известен также способ нанесения ионно-плазменных покрытий на лопатки 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, МПК С23С 14/16, 30/00, С22С 19/05, 21/04, опубл. 20.04.2001).

Известен также способ нанесения ионно-плазменных покрытий на лопатки турбин, из титановых сплавов (патент РФ №2234556 МПК С23С 14/06, 2004.08.20), включающий последовательное упрочнение поверхности изделия путем ионной имплантации азота и проведение стабилизирующего отжига, и проведение, после ионной имплантации ионно-плазменное нанесение покрытия нитрида титана при токе разряда от 90 до 110 А, напряжении разряда от 50 до 60 В и давлении азота от 10^-1 до 4⋅10^-1 Па, при этом ионную имплантацию, нанесение покрытия и стабилизирующий отжиг осуществляют в одном вакуумном объеме.

Основным недостатком этих способов является недостаточно высокая эрозионной стойкости поверхности лопатки. Кроме того, при увеличении толщины покрытия (или каждого из слоев покрытия) происходит снижение адгезионной и усталостной прочности деталей с покрытиями, что ухудшает их ресурс и надежность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ нанесения эрозионностойких покрытий на лопатки блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов, включающий упрочняющую обработку пера лопатки с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия в виде заданного количества пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом (Патент РФ 2226227, МПК С23С 14/48, опубл. 27.03.2004).

Основным недостатком аналогов и прототипа является невозможность их использования для ионно-импалнтационной обработки и нанесения покрытий на лопатки моноколеса в результате образования «мертвых» зон, возникающих из-за затенения лопатками моноколеса друг друга, особенно в случае моноколес с широкохордными лопатками, что не обеспечивает для лопаток моноколес защиту от эрозии при одновременном повышении их выносливости и циклической прочности.

Техническим результатом заявляемого способа являетсяповышение стойкости лопатокмоноколеса компрессора ГТД к эрозионному разрушению при одновременном обеспечении их высокой выносливости и циклической прочностиза счет полирования поверхности пера лопатки, равномерной его ионно-имплантационной обработки иравномерного нанесения на них эрозионностойкого покрытия.

Технический результат достигается за счет того, что в способеупрочнениялопаток моноколеса из титанового сплава, включающем упрочняющую и ионно-имплантационную обработку материала поверхностного слоя лопаток с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом, в отличие от прототипа, перед ионно-имплантационной обработкой проводят электролитно-плазменное полирование поверхности блиска путем приложения к нему электрического потенциала от 280 В до 300 В, причем в качестве электролита используют водный раствор с содержанием от 5 до 8 вес. % гидроксиламина солянокислого и содержанием KF от 0,7 до 0,8 вес. %, а при нанесении покрытия на лопатки, моноколесо вращают одновременно относительно его продольной и поперечной осей с одновременным приданием моноколесу колебательных движений относительно его поперечной осис отклонением по обе стороны от вертикали на угол 45°, причем ионно-имплантационную обработку лопаток моноколеса проводят ионами азота при энергии от 20 кэВ до 35 кэВ, дозой от 1,6⋅10¹⁷ см^-2 до 2,0⋅10¹⁷ см^-2, а в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом используют ванадий, причем нанесение титана и ванадия на лопатки моноколеса производят одновременно с электродугового испарителя для титана и расположенного напротив него электродугового испарителя для ванадия, причем слой титана с ванадием наносят толщиной от 0,15 мкм до 0,25 мкм, а слой соединений титана с ванадием и азотом наносят толщиной от 1,2 мкм до 2,3 мкм при общей толщине многослойного покрытия от 7,0 мкм до 11,0 мкм, а при нанесении покрытия используют соотношение титана к ванадию, вес. %: V от 35 до 45, остальное - Ti.

Кроме того возможно также осуществлять нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют в режиме ассистирования ионами аргона, а полирование ведут при температуре от 70°С до 90°С, при величине тока от 0,4 А/см² до 0,7 А/см² в течение от 2,0 до 4,5 минут.

Для оценки эрозионной стойкости лопаток блиска были проведены следующие испытания. На образцы из титановых сплавов марок ВТ6, ВТ8, ВТ8 м, ВТ41, ВТ18у, ВТ31, ВТ9, ВТ22, ВТ25у были нанесены покрытия как по способу-прототипу (патент РФ 2226227, МПК С23С 14/48, опубл. 27.03.2004), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам нанесения, так и покрытия по предлагаемому способу.

Режимы нанесения покрытия по предлагаемому способу.

Нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляли: с двух, одновременно работающих, протяженных электродуговых испарителей одного для ванадия, другого для титана. Расположение испарителей - периферийное, на цилиндрической стенке камеры установки, напротив друг друга, в зоне расположения лопаток моноколеса. Размеры испарителей 300×800 мм. Моноколесо, при ионно-имплантационной обработке и нанесения покрытия вращалосьодновременно вокруг собственной продольной оси и поперечной оси, совпадающей с продольной, вертикально расположенной осью цилиндрической камеры установки, с одновременным совершением колебательных движений. Скорость вращения блиска относительно собственной оси составляла от 6 до 12 об/мин. Колебательные движения составляли по 45°по обе стороны от вертикали. Нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляли в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом осуществляют в режиме ассистирования ионами азота. Ионно-имплантационную обработку проводили ионами азота. Для ионно-имплантационной обработки использовали протяженный генератор газовой плазмы, выполненный с возможностью обеспечения работы с азотом и имеющим размеры выходной апертуры 100×6 00 мм. Перед электролитно-плазменным полированием, как один из вариантов способа применялась обработка лопаток микрошариками.

Электролитно-плазменное полирование:

Электрический потенциал: 270 В - Н.Р., 280 В - У.Р., 290 В - У.Р., 300 В - У.Р., 320 В -Н.Р.

Электролит: водный раствор с содержанием от 5 до 8 вес. % гидроксиламина солянокислогои содержанием KF от 0,7 до 0,8 вес. %.

Температура электролита: от 70°С до 90°С.

Величина электрического тока: от 0,4 А/см² до 0,7 А/см².

Время: 2,0-4,5 минут.

Шероховатость исходной полируемой поверхности не более Ra 0,78…0,82 мкм.

Толщина слоя титана с ванадием: 0,1 мкм - неудовлеворительный результат (Н.Р.); 0,15 мкм - удовлетворительный результат (У.Р.); 0,25 мкм (У.Р.); 0,35 мкм (Н.Р.).

Толщина слоя соединений титана с ванадия и азотом: 0,9 мкм (Н.Р.); 1,2 мкм (У.Р.); 1,5 мкм (У.Р.); 2,3 мкм (У.Р.); 2,6 мкм (Н.Р.).

Общая толщина покрытия: 5,5 мкм (Н.Р.); 7,0 мкм (У.Р.); 9,0 мкм (У.Р.); 11,0 мкм (У.Р.); 13,0 мкм (Н.Р.).

Толщина покрытия, нанесенного по предлагаемому способу составляла от 7,0 мкм до 11,0 мкм, покрытия-прототипа от 0 мкм (в затененных зонах) до 11,0 мкм.

Соотношение титана к ванадию, вес. %: V, остальное - Ti,: содержание V, вес. %: 30% - (Н.Р.); 35% - (У.Р.); 40% - (У.Р.); 45% - (У.Р.); 50% -(Н.Р.).

Ионно-имплантационная обработка азотом:

энергия - 18 кэВ (Н.Р.); 20 кэВ (У.Р.); 22 кэВ (У.Р.); 23 кэВ (У.Р.); 25 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.); 2,0⋅10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 2.4⋅10¹⁷ см^-2 (Н.Р.);

Эрозионная стойкость поверхности образцов исследовалась по методике ЦИАМ (Технический отчет ЦИАМ Экспериментальное исследование износостойкости вакуумных ионно-плазменных покрытий в запыленном потоке воздуха 10790, 1987. - 37 с.) на пескоструйной установке 12Г-53 струйно-эжекторного типа. Для обдува использовался молотый кварцевый песок с плотностью р=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. Результаты испытания показали, что эрозионная стойкость покрытий, полученных по предлагаемому способу, увеличилась по сравнению с покрытием-прототипом приблизительно в 5…6 раз.

Кроме того, были проведены испытания на выносливость и циклическую долговечность образцов - лопаток, вырезанных из моноколеса после его ионно-плазменной обработки и нанесения покрытий. Испытывались образцы из следующих марок титановых сплавов (ВТ6, ВТ8, ВТ8 м, ВТ41, ВТ18у, ВТ31, ВТ9, ВТ22, ВТ25у) на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости (-1) образцов в исходном состоянии (без покрытия) составляет 430-440 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу - 430-445 МПа, а по предлагаемому способу - 470-485 МПа.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе нанесения защитных покрытий на лопатки моноколеса из титановых сплавов следующих приемов: ионно-имплантационную обработку материала поверхностного слоя лопаток моноколеса с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом; перед ионно-имплантационной обработкой проводят электролитно-плазменное полирование поверхности блиска путем приложения к нему электрического потенциала от 280 В до 300 В, причем в качестве электролита используют водный раствор с содержанием от 5 до 8 вес. % гидроксиламина солянокислого и содержанием KF от 0,7 до 0,8 вес. %; при нанесении покрытия на лопатки производят вращение моноколеса одновременно относительно его продольной и поперечной осей с одновременным приданием моноколесу колебательных движений относительно его поперечной оси, обеспечивающих ионно-имплантационную обработку всей поверхности лопаток и нанесение покрытия на всю поверхность лопаток моноколеса; ионно-имплантационную обработку лопаток моноколеса ионами азота при энергии от 20 кэВ до 35 кэВ, дозой от 1,6⋅10¹⁷ см^-2 до 2,0⋅10¹⁷ см^-2; использование в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом ванадия; нанесение титана и ванадия на лопатки моноколеса одновременно с электродугового испарителя для титана и расположенного напротив него электродугового испарителя для ванадия; нанесение слоя титана с ванадием толщиной от 0,15 мкм до 0,25 мкм; нанесение слоя соединений титана с ванадием и азотом толщиной от 1,2 мкм до 2,3 мкм; обеспечение общей толщины многослойного покрытия от 7,0 мкм до 11,0 мкм, позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения - повысить стойкость лопаток моноколеса компрессора ГТД к эрозионному разрушению при одновременном обеспечении их высокой выносливости и циклической прочности за счет равномерной ионно-имплантационной обработки поверхности поверхности лопатки и равномерного нанесения на них эрозионностойкого покрытия.

1. Способ упрочнения лопаток моноколеса из титанового сплава, включающий ионно-имплантационную обработку материала поверхностного слоя лопаток с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом, отличающийся тем, что перед ионно-имплантационной обработкой осуществляют электролитно-плазменное полирование поверхности моноколеса путем приложения к нему электрического потенциала от 280 В до 300 В, причем в качестве электролита используют водный раствор с содержанием от 5 до 8 вес. % гидроксиламина солянокислого и содержанием KF от 0,7 до 0,8 вес. %, при этом нанесение покрытия осуществляют с вращением моноколеса одновременно относительно его продольной и поперечной осей с одновременным приданием моноколесу колебательных движений относительно его поперечной оси с отклонением по обе стороны от вертикали на угол 45°, причем ионно-имплантационную обработку лопаток моноколеса осуществляют ионами азота с энергией от 20 кэВ до 35 кэВ и дозой от 1,6⋅10¹⁷ см^-2 до 2,0⋅10¹⁷ см^-2, а в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом используют ванадий, причем нанесение титана и ванадия на лопатки моноколеса производят одновременно с электродугового испарителя для титана и расположенного напротив него электродугового испарителя для ванадия, причем слой титана с ванадием наносят толщиной от 0,15 мкм до 0,25 мкм, а слой соединений титана с ванадием и азотом наносят толщиной от 1,2 мкм до 2,3 мкм при общей толщине многослойного покрытия от 7,0 мкм до 11,0 мкм, при этом покрытие наносят с отношением титана к ванадию, вес. %: V от 35 до 45, остальное Ti.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом осуществляют в режиме ассистирования ионами азота.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутое полирование осуществляют при температуре от 70°С до 90°С и величине тока от 0,4 А/см² до 0,7 А/см² в течение от 2,0 до 4,5 мин.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что упомянутое полирование осуществляют при температуре от 70°С до 90°С и величине тока от 0,4 А/см² до 0,7 А/см² в течение от 2,0 до 4,5 мин.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что перед электролитно-плазменным полированием проводят обработку лопаток микрошариками.