ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ, СТОЙКАЯ К СОЛЕВОЙ И ГАЗОВОЙ КОРРОЗИИ, ГАЗОАБРАЗИВНОЙ И КАПЕЛЬНО-УДАРНОЙ ЭРОЗИИ

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для повышения эксплуатационных свойств рабочих лопаток компрессора и турбины, работающих в условиях воздействия солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии.
В промышленности известна лопатка турбомашины, стойкость которой повышена путем использования гальванического никель-кадмиего (NiCd) покрытия на лопатки компрессора ГТД (Петухов А.Н. Усталость замковых соединений лопаток компрессоров // Труды ЦИАМ №1213,1987. -36 с).
Недостатками этой лопатоки турбомашины являются невысокая устойчивость к солевой коррозии, экологический вред гальванического производства, а также вероятность наводороживания поверхности, обусловливающего снижение выносливости и циклической долговечности.
Также известны стальные детали машин, стойкие к солевой коррозии. Содержащие покрытия, полученные последовательным осаждением в вакууме на поверхность пера первого слоя конденсированного сплава на основе никеля толщиной от 6 до 25 мкм и второго слоя покрытия на основе алюминия толщиной от 4 до 12 мкм (Полищук И.Е. Структура и свойства газотермических покрытий на основе интерметаллидов системы никель-алюминий // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. науч. тр. НАН Украины, Науч. Совет НАНУ по пробл. "Физика твердого тела". - Киев, 1998).
Недостатками этой лопатки турбомашины являются высокая температура отжига (=610°С), которая приводит к изменениям в структуре материала детали (например таких сталей как 20X13, ЭИ961, 15X11МФ). Кроме того, процесс получения таких деталей с покрытий характеризуется высокой трудоемкостью (не менее 4 ч на садку) и материалоемкостью, при этом увеличение толщины покрытия приводит к существенному снижению усталостной детали и адгезионной прочности покрытия.
7
Известна лопатка турбомашины, стойкая к солевой коррозии содержащая покрытие, полученное последовательным осаждением в вакууме первого слоя из титана толщиной от 0,5 до 5,0 мкм, и второго слоя нитрида титана толщиной 6 мкм (Патент РФ №2165475 "Способ защиты стальных деталей машин от солевой коррозии", МПК С23С 14/16, 30/00, С22С 19/05, 21/04, 20.04.2001).
Известено также лопатка турбомашины, стойкая к солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии, содержащая модифицированный ионной имплантацией ионами азота поверхностный слой и, нанесенное на него многослойное покрытие содержащее многократно чередующиеся слои титана и нитридов титана, полученное в одном вакуумном объеме установки за один технологический цикл. (Патент РФ №2226227, кл. С23С 14/48, 27.03.2004).
Основным недостатком известных лопаток турбомашин является недостаточно высокая стойкость покрытия к солевой коррозии (в связи с его пористостью) и недостаточной стойкости к капельно-ударной, эрозии из-за малой толщины и твердости. При увеличении толщины покрытия происходит снижение ее адгезии и усталостной прочности, что ухудшает эксплуатационные свойства лопаток.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является лопатка турбомашины, стойкая к солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии, содержащая поверхностный слой основного материала, модифицированный ионной имплантацией, и нанесенным на него многослойным покрытием. (Заявка РФ №2005134034, МПК. С23С 14/48, от 03.11.2005).
Основным недостатком известной лопатки турбомашины (Заявка РФ №2005134034, МПК. С23С 14/48, от 03.11.2005), является недостаточно высокая стойкость лопаток турбомашин к солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии, а также недостаточная выносливость и циклическая прочность лопаток. Указанные качества особенно важны при эксплуатации компрессорных лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) и лопаток паровых турбин.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение стойкости лопатки турбомашины к солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости, циклической прочности.
Технический результат достигается тем, что лопатка турбомашины, стойкая к солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии, содержащая поверхностный слой основного материала, модифицированный ионной имплантацией, и нанесенным на него многослойным покрытием в отличие от прототипа содержит поверхностный слой, модифицированный имплантацией ионами одного из следующих химических элементов Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, AI, Si, W, Pt, Pd или их комбинации, а в качестве многослойного покрытия ионно-плазменное покрытие с чередованием слоев металлов Ti, Pt, Zr, Сr, TiAl и их нитридов, при этом толщина слоя покрытия может составлять от 10 нм до 2 мкм при общей толщине покрытия от 5 мкм до 30 мкм.
Технический результат достигается также тем, что лопатка турбомашины содержит варианты покрытия, полученного при: проведении ионной имплантации после нанесения каждого слоя металла; проведении ионной имплантации после нанесения каждого слоя покрытия; проведении ионной имплантации ионами азота после нанесения каждого слоя металла; проведении ионной имплантации легирующими ионами, при одновременном нанесении каждого слоя покрытия.
10
20
2
Технический результат достигается также тем, что лопатка турбомашины содержит: модифицированный поверхностный слой основного материала и покрытие содержат легирующие элементы N, Cr, Y, Yb, С, В, Zr, AI, Si, W, Pt, Pd или их сочетание; поверхностный слой основного материала и покрытие полученное при проведении постимплантационного отпуска, совмещенного с нанесением многослойного покрытия, осуществленных в одном вакуумном объеме за один технологический цикл; поверхностный слой основного материала и покрытие полученное при проведении ионной имплантации с энергии ионов 300-1000 эВ и дозе имплантации ионов 10 до 5·10 ион/см.
Для исследования стойкости лопаток турбомашин на солевую и газовую коррозии, газоабразивную и капельно-ударной эрозию, были изготовлены образцы из стали 20×13, которые были подвергнуты (указанным в таблице 1) вариантам обработки.
Табл.1
№ Группы образцов
Имплантируемые ионы (в основу)
Имплантиру емые ионы (в покрытие)
Материал слоев и схема их чередования
Прототип (П)
N+Cr
N
n<sub>1</sub>(Ti-TiN-TiN)
1
N+Cr
N
n<sub>2</sub>(Ti-TiN-Ti-TiAlN)
2
Yb
Y
n<sub>2</sub>(Zr-ZrN-Ti-TiAlN)
3
Y+N
Cr
n<sub>2</sub>(Cr-CrN-Ti-TiAlN)
4
Y
N
n<sub>2</sub>(Ti-TiAlN-Ti-TiN)
5
Yb
Y
n<sub>2</sub>(Zr-ZrN-TiAIN)
6
С
N
n<sub>2</sub>(Zr-TiAlN-Ti -ZrN)
7
Yb+Si
Si
n2(Zr-ZrN-TiAIN)
8
C+W
N
n2(Zr-TiAlN-Ti -ZrN)
9
Yb+W
Y
n2(Zr-ZrN-TiAIN)
10
Al+Pt
W
n2(Zr-TiAlN-Ti -ZrN)
Таблица
11
Pd+Pt,
AI
n<sub>2</sub>(Ti-TiAlN-Ti-TiN)
12
Si,+AI
N
n2(Zr-TiAlN-Ti -ZrN)
13
Y+Pd
Pt
n<sub>2</sub>(Ti-TiN-Ti-TiAlN)
14
Pt
Yb
n2(Zr-TiAlN-Ti -ZrN)
15
W
С
n<sub>2</sub>(Ti-TiAlN-Ti-TiN)
16
W
Yb+N
n<sub>2</sub>(Ti-TiAlN-Ti-TiN)
19
2
Режимы обработки образцов и нанесения покрытия: ионная имплантация (ионами N, Cr, Y, Yb, С, В, Zr, AI, Si, W, Pt, Pd) с энергией Е=300эВ-30 КэВ и дозой облучения Д=3·10 ион/см, с последующемим постимплантационным отпуском в вакууме при температуре 400°С в течение 1 ч с одновременным нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия (материал слоев и схема их чередования согласно таблицы 1).
1
2
Толщины слоев составляли: прототип - первый слой - Me толщиной около 1 мкм, второй слой - нитрид Me толщиной около 2 мкм, количество слоев n бралось равным 12 при общей толщине покрытия от 19 до 21 мкм; предлагаемое техническое решение - первый слой - Me толщиной 0,3 мкм, последующие слои - толщиной от 10 нм до 2 мкм, количество слоев n бралось от 12 до 1560 при общей толщине покрытия от 19 до 21 мкм.
Стойкость к солевой коррозии исследовалась по ускоренной методике Всероссийского института авиационных материалов (ВИАМ). Сущность методики испытания заключается в ускорении коррозионного процесса под влиянием ионов хлора при высоких и быстроменяющихся температурах и относительной влажности воздуха, приближенных к условиям эксплуатации лопаток.
В процессе испытаний производилось взвешивание образцов на аналитических весах модели ВЛР-200: в исходном состоянии; после испытаний: с продуктами коррозии на поверхности образцов; после удаления коррозионного налета химическим способом.
Кроме этого проводилась оценка глубины коррозионных повреждений общепринятым металлографическим методом на наклонных шлифах с углом наклона=3. Результаты коррозионных испытаний приведены в табл.2.
Таблица 2 - Коррозионная стойкость.
№п/ п
Результаты внешнего осмотра
Результаты взвешивания, г.
Потеря массы, г
До удаления продуктов коррозии
После удаления продуктов коррозии
В исход, сост.
После испытаний (с удаленными продуктами коррозии)
П
Продукты коррозии по всему периметру образца
Точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
32,8242
32,7522
0,0720
1.
Продукты коррозии по периметру образца
Отдельные точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
33,1260
33,0933
0,0327
2.
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
32,0968
32,0637
0,0331
3
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
32,9807
32,9515
0,0292
4
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
32,7542
32,7319
0,0223
Таблица
5
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
33,0917
33,0446
0,0471
6
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
32,1274
32,1037
0,0237
7.
Продукты коррозии по периметру образца
Отдельные точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
33,3480
33,3140
0,0340
8.
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
32,8940
32,8583
0,0357
9
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
33,5467
33,5166
0,0301
10
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
34,1094
34,0816
0,0278
11
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Отдельные точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении
33,1183
33,0852
0,0331
12
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
33,1381
33,1058
0,0323
13
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
32,3250
32,2857
0,0393
Таблица
14
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
33,1127
34,0742
0,0385
15
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Отдельные точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении
32,4790
32,4492
0,0298
16
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
33,0084
32,9682
0,0402
Таблица 3. Стойкость к пылевой эрозии.
№п/п
Потеря массы, мкм
Увеличение стойкости, раз
№п/п
Потеря массы, мкм
Увеличение стойкости, раз
8
0,46
9,91
П
4,56
-
9
0,54
8,44
1
0,61
7,47
10
0,41
11,12
2
0,34
13,41
11
0,36
12,67
3
0,33
13,82
12
0,28
16,29
4
0,29
15,72
13
0,37
12,32
5
0,34
13,41
14
0,39
11,69
6
0,31
14,71
15
0,35
13,03
7
0,38
12,00
16
0,33
13,82
Таблица 4. Стойкость к капельно-ударной эрозии.
№ п/п
Увеличение стойкости, раз
№ п/п
Увеличение стойкости, раз
П
-
9
9,9
1
6,5
10
9,2
2
8,9
11
10,3
3
10.1
12
11,8
4
12,7
13
12,1
5
9,6
14
11,2
6
8,7
15
10,5
7
11,3
16
11,4
8
10,1
Анализ результатов сравнительных коррозионных испытаний показал, что наилучшими свойствами обладает предлагаемая лопатка турбомашины, поскольку они характеризуется наименьшей потерей массы и минимальной площадью поверхности, пораженной коррозией, что свидетельствует о высокой надежности деталей.
3
3
Стойкость к пылевой эрозии исследовалась по методике ЦИАМ (Технический отчет ЦИАМ "Экспериментальное исследование износостойкости вакуумных ионоплазменных покрытий в запыленном потоке воздуха" №10790, 1987. - 37 с.) в пескоструйной установке 12Г-53 струйно-эжекторного типа. Для обдува использовался молотый кварцевый песок с плотностью =2650 кг/м, твердость HV=12000 МПа. Обдув производился при скорости воздушно-абразивного потока 195-210 м/с, температура потока 265-311К, давление в приемной камере 0,115-0,122 МПа, время воздействия - 120 с, концентрация абразива в потоке до 2-3 г/м, что несколько выше, чем концентрация пылевых частиц на входе в авиационный двигатель в реальных условиях. Результаты испытания приведены в табл.3. Из таблицы видно, что стойкость к пылевой эрозии увеличилась, по сравнению с прототипам приблизительно в 1,6…3,4 раза.
уд
Стойкость к капельно-ударной эрозии исследовалась по методике МЭИ (Московского энергетического института) на стенде "Эрозия" при соударении жидких частиц размером 800 мкм и скоростью С = 300 м/с.
Результаты исследования приведены в табл.4. Установлено, что стойкость к капельно-ударной эрозии увеличилась, по сравнению с прототипом, приблизительно от 1,3 до 1,9 раз.
-1
Дополнительно были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из стали 20X13 на воздухе и коррозионной среде в соответствии с требованиями ГОСТ 9.302-88. В результате эксперимента установлено следующее: при испытаниях на воздухе условный предел выносливости (σ) повышается с 320 МПа (прототип) до 380 МПа; при испытаниях в коррозионной среде условный предел выносливости образцов повышается с 280 МПа (прототип) до 340 МПа.
Подобные результаты были получены также для образцов из материалов ЭИ961 и 15X11МФ.
Проведенные испытания покрытий показали, что приведенная в формуле полезной модели совокупность существенных признаков позволяет достичь технического результата - повышения стойкости лопатки турбомашины к солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости, циклической прочности.
Пример конкретной реализации способа
4
Обработку поверхности лопаток турбомашин по описываемому способу проводят после всех формообразующих механических обработок, включая полирование. Лопатку тщательно обезжиривают в ультразвуковой ванне и протирают бензино-ацетоновой смесью. Для удаления остатков влаги лопатку подвергают термообработке в сушильном шкафу при температуре от 60 до 65С. После сушки лопатку устанавливают в вакуумную камеру, где создают вакуум не ниже 2-10 Па и проводят очистку ионами аргона в течение 12 мин с последующей ионной имплантацией азота и хрома по режиму
Таблица
N+Cr
N
(Ti--TiN-TiAlN)
Имплантируемый ион Азот
Энергия ионов 300-1000 эВ
2
Плотность ионного тока 5-10 мА/см
19
2
Доза имплантации ионов 310 ион/см
Имплантируемый ион Хром
Энергия ионов 300-1000 эВ
2
Плотность ионного тока 5-10 мА/см
19
2
Доза имплантации ионов 3·10 ион/см
18
2
После этого в том же рабочем пространстве проводят вакуумный постимплантационный отпуск при температуре 400С в течение 1 ч, совмещенный с нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия на основе титана и нитрида титана с последовательным чередованием слоев: первый слой - титан толщиной 0,3 мкм, второй слой - нитрид титана толщиной 0,3 мкм, третий слой алюмонитрид титана толщиной 0,6 мкм, причем, после нанесения каждого слоя титана производят имплантацию ионов азота по режиму: энергия ионов 300-1000 эВ, доза имплантации ионов 5·10 ион/см. Нанесение указанных слоев повторяют до получения заданной толщины (20 мкм) многослойного покрытия. Режимы при нанесении покрытия: ток 1=140 А, напряжение U=140 В.