Способ ионно-имплантационной обработки лопаток рабочего моноколеса компрессора из титановых сплавов

Изобретение относится к способу ионно-имплантационной обработки лопаток рабочего моноколеса компрессора из титановых сплавов. Моноколесо устанавливают на валу держателя. Помещают внутри вакуумной установки, располагая одну из обрабатываемых лопаток моноколеса в рабочей зоне имплантора, и производят ионно-имплантационную обработку лопаток до получения заданной дозы имплантируемых ионов. При этом моноколесо вращают вокруг оси, проходящей через радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки моноколеса и его центр и пересекающей направление движения потока имплантируемых ионов, при этом производят качающие движения моноколеса в плоскости, проходящей через его продольную ось и упомянутую радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки, на угол, обеспечивающий обработку всей рабочей поверхности текущей лопатки. Ионно-имплантационную обработку проводят ионами азота при энергии от 20 до 35 кэВ, дозой от 1,8⋅1017 до 2,2⋅1017 ион/см2. Затем моноколесо поворачивают вокруг своей продольной оси на один шаг для ввода следующей лопатки в зону имплантации и повторяют указанный цикл до полной обработки всех лопаток моноколеса. 1 з.п. ф-лы, 1 пр.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для упрочнения лопаток рабочего моноколеса (блиска) компрессора ГТД из титановых сплавов.

Известен 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 титановых сплавов.

Известен также способ ионно-имплантационной обработки деталей, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. (Патент РФ №21 16378, МПК С23С 14/48, Способ модификации поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана. Опубл. 1998 г.). При этом ионную очистку осуществляют ионами инертных газов аргона или ксенона с энергией 250-350 кВ, плотностью ионного тока 3-10 мА/см2, в течение времени более 3000 с, ионное легирование азотом проводят с энергией 30-50 мкА/см2, в течение 500-2500 с, а отжиг проводят при температуре 450-550°С и давлении остаточных газов 10-3-5-10-3 Па в течение 2-2,5 ч.

Основным недостатком аналога способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей (предела выносливости, циклической долговечности). Это связано с недостаточно рациональными вариантами обработки поверхности деталей из титановых сплавов при использовании методов ионно-имплантационного воздействия. При этом повышение указанных характеристик особенно важно для таких деталей как компрессорные лопатки газотурбинных двигателей (ГТД).

Известен также способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. (Патент РФ №2479667. МПК С23С 14/48. Способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов. Опубл.: 20.04.2013 г.) При этом ионную очистку проводят при энергии от 8 до 10 кэВ, плотности тока от 130 мкА/см2 до 160 мкА/см2 в течение от 0,3 до 1,0 ч, а ионно-имплантационную обработку поверхности детали проводят при энергии от 25 до 30 кэВ.

Основным недостатком аналогов способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей (предела выносливости, циклической долговечности). Это связано с недостаточно рациональными вариантами обработки поверхности деталей из титановых сплавов при использовании методов ионно-имплантационного воздействия. При этом повышение указанных характеристик особенно важно для таких деталей как компрессорные лопатки газотурбинных двигателей (ГТД).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота (патент РФ №21 16378, 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 этого способа (А.С. СССР №1642786; патент РФ №2116378) и вышеперечисленных аналогов (патенты РФ №№2007501, 2479667 и 2116378) является невозможность равномерной обработки рабочих поверхностей лопаток моноколес компрессора ГТД из титановых сплавов, в связи с наличием теневых участков, препятствующих проникновению ионов к обрабатываемой поверхности лопаток. Поэтому все вышеперечисленные способы не могут использоваться для упрочнения поверхности лопаток моноколеса, поскольку не могут обеспечить однородной обработки всей их рабочей поверхности.

Задачей настоящего изобретения является создание такого поверхностного слоя материала лопаток моноколеса из титановых сплавов, который позволил бы обеспечить их повышенные эксплуатационные характеристики (предела выносливости, циклической долговечности).

Техническим результатом заявляемого способа является повышение выносливости и циклической долговечности лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов за счет обеспечения их равномерной ионно-имплантационной обработки.

Технический результат достигается тем, что в способе ионно-имплантационной обработки лопаток рабочего моноколеса компрессора из титановых сплавов, в отличие от прототипа, осуществляют установку моноколеса на валу держателя с расположением одной из обрабатываемых лопаток моноколеса в рабочей зоне имплантора вакуумной установки, выполненной в виде протяженного генератора газовой плазмы, и производят ионно-имплантационную обработку лопаток моноколеса до получения заданной дозы имплантируемых ионов, при этом моноколесо вращают вокруг оси, проходящей через радиальную ось обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса и пересекающей направление движения потока имплантируемых ионов, затем поворачивают моноколесо вокруг

его продольной оси с обеспечением ввода следующей лопатки в зону имплантации и повторяют указанный цикл до обработки всех лопаток моноколеса, причем при вращении моноколеса вокруг оси, проходящей через радиальную ось обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса, осуществляют качающие движения моноколеса в плоскости, проходящей через его продольную ось и упомянутую радиальную ось обрабатываемой лопатки, на угол качания от 60 до 90 градусов с обеспечением обработки всей рабочей поверхности лопатки, а ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами азота осуществляют с энергией от 20 до 35 кэВ, дозой от 1,8⋅1017 ион/см2 до 2,2⋅10 ион/см2. Кроме того, в способе ионно-имплантационной обработки лопаток рабочего моноколеса компрессора из титановых сплавов возможно использование следующего дополнительного приема: обработку лопаток осуществляют при угловой скорости вращения моноколеса относительно оси, проходящей через радиальную ось обрабатываемой лопатки и центр моноколеса, от 4 об/мин до 20 об/мин и частоте качаний от 2 до 6 качаний за один его оборот моноколеса.

Для оценки эксплуатационных свойств лопаток моноколес газовых турбин были проведены следующие испытания. Образцы из высоколегированных сталей, 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 - 1,6⋅1017ион/см2 (Н.Р.); 1,8⋅1017ион/см2 (У.Р.); 2,0⋅1017ион/см2 (У.Р.); 2,2⋅1017ион/см2 (У.Р.); 2,4⋅1017ион/см2 (Н.Р.).

Ионную имплантацию проводили в непрерывном режиме. В качестве деталей из титановых сплавов использовались лопатки компрессора газотурбинного двигателя. 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 титановых сплавов (ВТ6, ВТ 18-У и ВТ8) на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости (σ-1) образцов в исходном состоянии составляет 370 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу - 380-390 МПа, а по предлагаемому способу 400-440 МПа.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов следующих приемов: установка моноколеса на валу держателя, внутри вакуумной установки, при расположении одной из обрабатываемых лопаток моноколеса в рабочей зоне имплантора; проведение ионно-имплантационной обработки лопаток моноколеса до получения заданной дозы имплантируемых ионов, вращая моноколесо вокруг оси, проходящей через радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса и пересекающую направление движения потока имплантируемых ионов; поворот моноколеса вокруг своей продольной оси на один шаг для ввода следующей лопатки в зону имплантации; повторение указанного цикла до полной обработки всех лопаток моноколеса; проведение, при вращении моноколеса вокруг оси, проходящей через радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса качающих движений моноколеса в плоскости, проходящей через его продольную ось и упомянутую радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки на угол, обеспечивающий обработку всей рабочей поверхности текущей лопатки; проведение ионно-имплантационной обработки поверхности лопатки ионами азота при энергии от 20 до 35 кэВ, дозой от 1,8⋅1017 ион/см2 до 2,2⋅1017 ион/см2; проведение обработки лопаток при скоростях вращения относительно оси, проходящей через радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса с угловой скоростью от 4 об/мин до 20 об/мин при угле качания от 60 до 90 градусов и частоте качаний от 2 до 6 качаний за один его оборот относительно радиальной оси текущей обрабатываемой лопатки, 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.

1. Способ ионно-имплантационной обработки лопаток рабочего моноколеса компрессора из титановых сплавов, включающий ионно-имплантационную обработку лопаток ионами азота, отличающийся тем, что осуществляют установку моноколеса на валу держателя с расположением одной из обрабатываемых лопаток моноколеса в рабочей зоне имплантора вакуумной установки, выполненной в виде протяженного генератора газовой плазмы, и производят ионно-имплантационную обработку лопаток моноколеса до получения заданной дозы имплантируемых ионов, при этом моноколесо вращают вокруг оси, проходящей через радиальную ось обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса и пересекающей направление движения потока имплантируемых ионов, затем поворачивают моноколесо вокруг его продольной оси с обеспечением ввода следующей лопатки в зону имплантации и повторяют указанный цикл до обработки всех лопаток моноколеса, причем при вращении моноколеса вокруг оси, проходящей через радиальную ось обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса, осуществляют качающие движения моноколеса в плоскости, проходящей через его продольную ось и упомянутую радиальную ось обрабатываемой лопатки, на угол качания от 60 до 90° с обеспечением обработки всей рабочей поверхности лопатки, а ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами азота осуществляют с энергией от 20 до 35 кэВ, дозой от 1,8⋅10 до 2,2⋅1017ион/см2.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку лопаток осуществляют при угловой скорости вращения моноколеса относительно оси, проходящей через радиальную ось обрабатываемой лопатки и центр моноколеса, от 4 до 20 об/мин и частоте качаний от 2 до 6 качаний за один оборот моноколеса.



 

Похожие патенты:
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.

Изобретение относится к способу нанесения нанопленочного покрытия на подложку и может быть использовано для получения нанопокрытий на поверхностях различных подложек при невысокой температуре.
Изобретение относится к способу упрочнения рабочих лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к плазменной химико-термической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в машиностроении для повышения износостойкости и коррозионной стойкости деталей машин.
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.
Изобретение относится к способу получения многослойного защитного покрытия лопаток турбомашин из титановых сплавов. Способ включает вакуумно-плазменное осаждение легирующих элементов хрома, алюминия и иттрия на поверхность лопаток и термическую обработку.

Использование: изобретение относится к способу получения многослойной детали из титанового сплава. Осуществляют ионно-имплантационное модифицирование листовой детали из титанового сплава путем ионной имплантации азота, углерода или бора с энергией 30-50 кэВ, плотностью тока 35-50 мкА/см2 и флюэнсом 1016-1018 ион/см2 и постимплантационного отжига при температуре 450-550°С и давлении остаточных газов 10-3-5×10-3 Па в течение 1,5-3,5 ч.

Изобретение относится к нанесению покрытия на поверхность стального изделия, применяемого для защиты от эрозионного износа рабочих лопаток влажнопаровых ступеней турбин, эксплуатирующихся в экстремальных условиях.

Изобретение относится к области технологий по упрочнению поверхностных слоев металлических деталей, сочетающих лазерные и водородные технологии по созданию наклепа поверхностных слоев деталей машин, подвергающихся знакопеременным нагрузкам, и может быть использовано в технологии изготовления лопаток компрессоров и турбин, применяемых в самолетостроении.

Способ включает в себя формирование заданной периодической микроструктуры на поверхности полированного алмаза с помощью имплантации ионами бора с энергией 10-100 кэВ, дозой облучения 1⋅1015-1.0⋅1020 ион/см2 через поверхностную маску.

Изобретение относится к нанесению антифрикционного слоя на металлические поверхности. Металлическую деталь устанавливают на магнитный диск диаметром 300 мм, который вращают со скоростью 50-52 об/ мин или на поворотный стол с диаметром 550 мм, которому сообщают возвратно-поступательное вращение на 180° со скоростью 1500 мм/мин.

Изобретение относится к механической детали пары трения. Деталь пары трения снабжена покрытием из аморфного углерода с по меньшей мере 70 ат.% углерода, исключая содержание водорода, и предназначена для взаимодействия путем скольжения с противоположной деталью, твердость поверхности которой составляет не более двух третей от твердости этого покрытия.
Изобретение относится к способу защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии. Осуществляют упрочняющую обработку микрошариками, полирование кромок лопаток блиска, ионно-плазменную модификацию материала поверхностного слоя лопаток блиска 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.
Изобретение относится к способу нанесения антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия на основе углерода на металлические, полимерные и текстильные изделия медицинского назначения.
Изобретение относится к способу нанесения антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия на основе углерода на изделия медицинского назначения из материала с термомеханической памятью формы.
Изобретение относится к способу упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защитно-упрочняющей обработки пера рабочих лопаток компрессора ГТД или паровой турбины из титановых сплавов.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия из нитрида титана, алюминия, кремния, хрома и ниобия при их соотношении, мас.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия из нитрида титана, алюминия, кремния, циркония и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 57,25, алюминий 9,43, кремний 0,86, цирконий 23,34, ниобий 9,12.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия из нитрида титана, ниобия, алюминия, кремния и молибдена при их соотношении, мас.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия из нитрида титана, алюминия, кремния, ниобия и железа при их соотношении, мас.
Изобретение относится к способу ионно-имплантационной обработки лопаток компрессора из титановых сплавов и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении. Способ 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 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. При этом 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. За каждый цикл прохождения лопатки через зону имплантации она поворачивается вокруг собственной оси на угол от 220 до 280 градусов. Каждое последующее вхождение упомянутой лопатки в зону имплантации происходит со сдвигом фазы ее вращения вокруг собственной оси на 10-20 градусов от угла ее предыдущего вхождения в зону имплантации. 1 пр.

Изобретение относится к способу ионно-имплантационной обработки лопаток рабочего моноколеса компрессора из титановых сплавов. Моноколесо устанавливают на валу держателя. Помещают внутри вакуумной установки, располагая одну из обрабатываемых лопаток моноколеса в рабочей зоне имплантора, и производят ионно-имплантационную обработку лопаток до получения заданной дозы имплантируемых ионов. При этом моноколесо вращают вокруг оси, проходящей через радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки моноколеса и его центр и пересекающей направление движения потока имплантируемых ионов, при этом производят качающие движения моноколеса в плоскости, проходящей через его продольную ось и упомянутую радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки, на угол, обеспечивающий обработку всей рабочей поверхности текущей лопатки. Ионно-имплантационную обработку проводят ионами азота при энергии от 20 до 35 кэВ, дозой от 1,8⋅1017 до 2,2⋅1017 ионсм2. Затем моноколесо поворачивают вокруг своей продольной оси на один шаг для ввода следующей лопатки в зону имплантации и повторяют указанный цикл до полной обработки всех лопаток моноколеса. 1 з.п. ф-лы, 1 пр.

Наверх