КОМПРЕССОРНАЯ ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ЗАЩИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ

Полезная модель относится к энергетическому турбиностроению и авиационному двигателестроению и может быть использована при конструировании и восстановлении газотурбинных компрессоров.
Компрессорные лопатки газотурбинного двигателя при эксплуатации находятся в сложных условиях нагружения. На компрессорные лопатки действуют значительные вибрационные нагрузки (см. книгу Гецова Л.Б. «Материалы и прочность деталей газовых турбин». М., «Недра», 1996, с.40). Кроме того, компрессорные лопатки подвержены воздействию пылевых и капельных примесей в цикловом воздухе (см. обзор Шуровского В.А. и Левыкина А.П. «Загрязнение и очистка проточных частей осевых компрессоров газотурбинных установок». М., ВНИИЭгазпром, 1986, в.11, с.10).
Указанные эксплуатационные условия приводят к усталостным разрушениям компрессорных лопаток, обусловленным воздействием на них циклических нагрузок и коррозионной усталостью поверхности лопаток (см. статью Тарасенко Ю.П. и др. «Оценка эксплуатационного состояния материала компрессорных лопаток». - Материаловедение и высокотемпературные технологии. 1999, вып.1).
Для повышения сопротивления компрессорных лопаток эрозионному и коррозионному износу их рабочей поверхности применяют специальные защитные покрытия.
В промышленности известна компрессорная лопатка газотурбинного двигателя с нанесенным гальваническим способом никель-кадмиевым
покрытием (см. статью Петухова А.Н. «Усталость замковых соединений лопаток компрессоров». - Труды ЦИАМ. 1987, №1213, с.36).
Недостатками такой компрессорной лопатки являются ухудшенная технологичность низкоэкологичного гальванического нанесения защитного покрытия и слабая эффективность защиты от усталостных разрушений лопатки, в связи с невысоким сопротивлением покрытия коррозионной усталости и возможностью наводороживания поверхности, обусловливающего снижение выносливости и циклической долговечности.
Известна компрессорная лопатка газотурбинных двигателей с двухслойным защитным покрытием, состоящим из осажденных в вакууме первого слоя из сплава на основе никеля и второго слоя на основе алюминия и подвергнутым совместной с деталью термообработке (см. патент РФ №2165475, С 23 С 14/16, С 23 С 30/00, С 22 С 19/05, С 22 С 21/04, 2001).
Основными недостатками этой компрессорной лопатки являются усложнение технологии нанесения защитного покрытия в результате увеличения числа операций и недостаточно надежная защита лопатки от пылевой и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости и циклической прочности, достигаемом при уменьшении общей толщины покрытия с 35-37 до 6-10 мкм.
Наиболее близкой по технической сущности (прототипом) заявляемой полезной модели является компрессорная лопатка с нанесенным в вакууме многослойным защитным покрытием, состоящим из многократно чередующихся слоев титана, ε-нитрида титана и α-нитрида титана, под которым расположен поверхностный слой лопатки, предварительно подвергнутый ионной имплантации ионами азота и последующему совмещенному с нанесением многослойного покрытия постимплантационному отпуску при 400°С в течение 1-го часа (см. патент РФ №2226227, С 23 С 14/06, С 23 С 14/48, 2004).
Прототип также характеризуется усложненной технологией нанесения защитного покрытия и недостаточно надежной защитой лопатки от
питтинговой коррозии ее поверхности в связи с увеличением общей толщины защитного покрытия до 20±1 мкм, повышающей вероятность эксплуатационного расслоения покрытия и развития коррозионной усталости в условиях воздействия значительных импульсных нагрузок.
Технический результат заявляемой полезной модели - улучшение технологичности и снижение трудоемкости изготовления лопатки при обеспечении надежного ресурса работы лопатки в условиях воздействия знакопеременных нагрузок и развития питтинговой коррозии.
Указанный технический результат достигается тем, что в компрессорной лопатке газотурбинного двигателя с защитным покрытием, содержащей перо с нанесенным на его поверхности ионно-плазменным износо- и коррозионностойким покрытием на основе адгезионного подслоя титана и полифункционального слоя нитрида титана, под адгезионным подслоем титана расположен обладающий повышенной микротвердостью поверхностный слой материала пера, предварительно сформированный для сопротивления пластической деформации при эксплуатации в результате низкоэнергетической бомбардировки поверхности пера в вакууме ионами титана, с образованием этим поверхностным слоем материала пера и указанным ионно-плазменным покрытием слоисто-структурной рабочей поверхностной оболочки лопатки, обеспечивающей ее надежную эксплуатацию в условиях воздействия на лопатку вибрационных нагрузок и развития питтинговой коррозии поверхности лопатки.
μ
μ
2
2
В частном случае изготовления компрессорной лопатки слоисто-структурная рабочая поверхностная оболочка лопатки состоит из чередующихся поверхностного слоя материала пера из хромистой стали, например, 15Х13Л или 12Х13, подвергнутой приповерхностному микронаклепу в вакууме низкоэнергетическими ионами титана (при энергии ионов Е=1000 кэВ) до достижения микротвердости поверхности Н=320-350 кгс/мм (при исходной микротвердости Н=250-280 кгс/мм), адгезионного
подслоя титана толщиной 0,5-1,0 мкм и наружного слоя нитрида титана толщиной 3,0-6,0 мкм.
На чертеже изображена рабочая часть заявляемой компрессорной лопатки в разрезе, включающая перо с его обработанным низкоэнергетическими ионами титана поверхностным слоем и защитное покрытие.
Предлагаемая компрессорная лопатка содержит перо 1 с обладающим повышенной микротвердостью поверхностным слоем 2 материала пера 1 из хромистой нержавеющей стали или титанового сплава, предварительно сформированным для сопротивления пластической деформации при эксплуатации в результате низкоэнергетической бомбардировки поверхности пера 1 в вакууме ионами титана, и нанесенными на поверхности пера 1 поочередно адгезионным подслоем 3 титана и полифункциональным слоем 4 нитрида титана.
При этом указанные слой 2, подслой 3 и слой 4 образуют технологически органичную и экономичную в изготовлении слоисто-структурную рабочую поверхностную оболочку лопатки, обеспечивающую ее надежную эксплуатацию в условиях воздействия на лопатку вибрационных нагрузок и развития питтинговой коррозии поверхности лопатки.
-3
-1
Повышение технологичности и снижение трудоемкости изготовления компрессионной лопатки достигается за счет производственно-оптимального последовательного повышения порядка величины давления с 10 до 10 Па в вакуумной камере доступного оборудования (установки ННВ-6-1, ВУ-2МБС или «Булат») при смене операций в сокращенном количестве (нет поступрочняющей термообработки) в одном вакуумном объеме: упрочняющая обработка поверхности пера низкоэнергетическими ионами титана, нанесение на обработанную указанным образом поверхность пера адгезионного подслоя титана и формирование в условиях напуска азота наружного слоя нитрида титана.
μ
μ
2
7
2
2
В примере изготовленной компрессорной лопатки из стали 12Х13 с микротвердостью поверхности пера Н=320 кгс/мм после низкоэнергетической обработки ионами титана, толщиной адгезионного подслоя титана 1,0 мкм и наружного слоя нитрида титана 5,0 мкм заявляемая лопатка обеспечивает эксплуатационные характеристики на уровне: рабочего ресурса ~50 тыс. часов в составе лопаточного аппарата осевого компрессора газоперекачивающего агрегата ГТК-25И при результате усталостных испытаний - пределе выносливости (на базе 10 циклов) 38 кгс/мм и отсутствии повреждений питтинговой коррозии, имеющих глубину от 50 до 150 мкм в случае никель-кадмиевого покрытия. Испытания аналогичной лопатки с микротвердостью поверхности пера Н=280 кгс/ммбез низкоэнергетической обработки ионами титана (с последующим нанесением нитридного покрытия) показали более низкий ресурс работы (~40-45 тыс. часов).
Коррозионные испытания авиационной компрессорной лопатки из стали 15Х16К5Н2МВФАБ (ЭП 866) с защитным покрытием (толщиной адгезионного подслоя титана 1,0 мкм и толщиной наружного слоя нитрида титана 4,0 мкм) в камере соляного тумана (в соответствии с ISO 9227: концентрация раствора NaCl=46 г/л и температура в камере 35+/-2°С) показали, что в течение 2061 часов повреждения коррозией по месту покрытия отсутствуют.