СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАНОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ НА ЛОПАТКАХ ТУРБОМАШИН ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
PROCEDURE FOR ION-PLASMA NANO-LAYER COATING ON BLADES OF TURBO-MACHINES OUT OF ALLOYED STEEL

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток компрессора и турбины от коррозионного и эрозионного разрушения при одновременном повышении выносливости и циклической долговечности.
Известен 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 испаряющегося материала, идущий от катода к подложке, экранируют, очистку проводят ионами инертного газа, после очистки экраны отводят и наносят покрытие с последующим отжигом неоднократно до требуемой толщины (патент РФ №2192501, С23С 14/34, 10.11.2002).
Также известен способ получения ионно-плазменного покрытия последовательным осаждением в вакууме на поверхность пера первого слоя конденсированного покрытия толщиной от 6 до 25 мкм и второго слоя покрытия 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).
Процесс осаждения подобных толстых (до 37 мкм) покрытий характеризуется высокой трудоемкостью (не менее 4 ч на садку) и материалоемкостью, при этом увеличение толщины покрытия приводит к существенному снижению ее усталостной и адгезионной прочности. Кроме того, недостатком этого способа является также необходимость дополнительной операции отжига.
Известен способ нанесения ионно-плазменных покрытий (преимущественно 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, 20.04.2001).
Основным недостатком этого способа является обеспечение недостаточно высокой стойкости наносимого покрытия к солевой коррозии. Кроме того, при увеличении толщины покрытия (или каждого из слоев покрытия) происходит снижение усталостной и адгезионной прочности деталей с покрытиями, что ухудшает их эксплуатационные свойства.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ получения ионно-плазменного покрытия на лопатках, заключающийся в том, что перед нанесением многослойного покрытия проводят ионную имплантацию ионами азота и постимплантационный отпуск, который совмещают с нанесением многослойного покрытия, а многослойное покрытие наносят многократным чередованием слоев титана и нитридов титана, причем постимплантационный отпуск и нанесение многослойного покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл (патент РФ №2226227, МПК С23С 14/48, 27.03.2004).
Основным недостатком аналога является недостаточная надежность защиты от коррозионного и эрозионного разрушения при одновременном повышении выносливости, циклической прочности, что особенно важно при эксплуатации компрессорных лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) и лопаток паровых турбин, а также недостаточно широкий диапазон свойств защитных покрытий, снижающих возможность оптимизации покрытий по условиям эксплуатации защищаемых деталей.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение стойкости покрытия к коррозионному и эрозионному разрушению при одновременном повышении выносливости и циклической долговечности защищаемых деталей.
Технический результат достигается тем, что в способе получения ионно-плазменного нанослойного покрытия на лопатках турбомашин из легированных сталей, включающем ионно-имплантационную обработку поверхности основного материала лопатки с последующим чередующимся нанесением на нее слоев металлов и соединений этих металлов с другими металлическими и неметаллическими материалами, в отличие от прототипа после ионно-имплантационной обработки поверхности основного материала лопатки вначале на ее поверхность наносят слой металла толщиной от 10 нм до 30 нм, затем производят имплантационную обработку этого слоя ионами других металлических и неметаллических материалов до получения сплошного внедренного в поверхность слоя толщиной от 1 нм до 9 нм, а затем повторяют чередующееся нанесение слоев металла толщиной от 10 до 30 нм с последующей имплантацией ионов на глубину от 1 нм до 9 нм после каждого нанесения металлического слоя, причем в качестве металлов используют Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Та, Mo, W, Al, La, Eu или их соединения, а в качестве имплантируемых ионов других металлических и неметаллических материалов - Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их сочетание, при условии разнородности металлов, наносимых в качестве слоя, и металлов, имплантируемых в этот слой.
Технический результат достигается также тем, что после имплантаци ионов проводят постимплантационный отпуск, причем постимплантационный отпуск и нанесение нанослойного покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.
10
20
2
Технический результат достигается также тем, что ионную имплантацию проводят при энергии ионов 0,2-50 кэВ и дозе имплантации ионов 10 до 5·10 ион/см, но не превышающей начало распыления материала слоя, причем ионную имплантацию могут производить в импульсном и/или непрерывном режиме.
Технический результат достигается также тем, что наносят слои из металлов суммарной толщиной от 10-90% от общей толщины покрытия, а общая толщина покрытия составляет от 1,2 до 30 мкм.
Технический результат достигается также тем, что покрытие наносят только на перо и/или хвостовик лопатки.
Для оценки стойкости лопаток паровых и газовых турбин на эрозионную и коррозионную стойкость были проведены следующие испытания. На образцы из стали 20Х13 были нанесены покрытия по способу-прототипу и предлагаемому способу (таблица 1).
Таблица 1
№ Группы образцов
Имплантируемые ионы (в основу)
Имплантируемые ионы (в покрытие)
Толщина слоев: металлического/неметалличекого или имплантированного
Материал слоев и схема их чередования
1 (Прототип)
N
-
1 мкм / 2 мкм
4(-Ti-TiN-TiN<sub>2</sub>-)
2
N
N
20 нм / 8 нм
-Ti-TiN-Ti-TiN<sub>2</sub>-
3
Y
N
10 нм / 8 нм
-Ti-TiN-Ti-TiN<sub>2</sub>-
4
Yb
N
30 нм / 6 нм
-Zr-ZrN-Zr-ZrN<sub>2</sub>-
5
Cr
В
30 нм / 8 нм
-Zr-ZrB-Zr-
6
В
С
26 нм / 6 нм
-Ti-TiC-Ti-
7
Yb
С
26 нм / 6 нм
-Zr-ZrC-Zr-
8
Y+N
С и N
22 нм / 8 нм
-Cr-CrN-Cr-CrC-
9
Y+Zr
В и N
16 нм / 8 нм
-Zr-ZrB-Zr-ZrN-Zr-ZrN-
10
Y+Zr+N
С и М
10 нм / 6 нм
-W-WN-W-WC-
18
2
Режимы обработки образцов и нанесения покрытия: ионная имплантация (ионами Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti) с энергией Е=0,2-50 КэВ и дозой облучения D=2·10 ион/см как без отжига, так и 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 таблице 1). Общая толщина покрытия составляла величину от 1, 2 до 30 мкм.
Стойкость к солевой коррозии исследовалась по ускоренной методике. 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. Оценка коррозии производилась по потере массы образца. Образцы, обработанные по предлагаемому способу, характеризуется наименьшей потерей массы и минимальной площадью поверхности, пораженной коррозией (таблица 2).
Таблица 2
Коррозионная стойкость
№ п/п
Результаты внешнего осмотра
Потеря массы, г
До удаления продуктов коррозии
После удаления продуктов коррозии
1
Продукты коррозии по всему периметру образца
Точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
0,2210
2
Продукты коррозии по всему периметру образца
Точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
0,0355
3
Продукты коррозии по периметру образца
Отдельные точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
0,0469
4
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Отдельные точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
0,0462
5
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
0,0393
6
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Отдельные точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
0,0405
7
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
0,0308
8
Продукты коррозии по отдельным
Редко расположенные мелкие точечные
0,0298
участкам образца
повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
9
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
0,0327
10
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
0,0281
3
3
Эрозионная стойкость 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 ρ=2650 кг/м, твердость HV=12000 МПа. Обдув производился при скорости воздушно-абразивного потока 195-210 м/с, температура потока 265-3 11 K, 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 таблице 3. Из таблицы видно, что стойкость к эрозии у образца, обработанного по предлагаемой методике, увеличилась приблизительно в 8…12 раз, а по сравнению с прототипом в 2…3 раза.
Таблица 3
Эрозионная стойкость
№ п/п
Потеря массы, г
Увеличение стойкости, раз
№ п/п
Потеря массы, г
Увеличение стойкости, раз
0
8,02
-
6
0,99
8,10
1 (Прототип)
2,07
3,87
7
0,81
9,90
2
0,93
8,62
8
0,95
8,44
3
0,85
9,43
9
0,78
10,28
4
0,94
8,53
10
0,64
12,53
5
0,72
11,13
Результаты сравнительных испытаний на коррозионную и эрозионную стойкость образцов с покрытиями показали, что предлагаемый способ нанесения нанослойного покрытия по сравнению с прототипом позволяет получать покрытия с более высокой эрозионной и коррозионной стойкостью.
-1
Кроме того, были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из стали 20Х13 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) образцов в исходном состоянии (без покрытия) составляет 320 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу, - до 380 МПа, а по предлагаемому способу - 400 МПа; при испытаниях в коррозионной среде условный предел выносливости образцов в исходном состоянии (без покрытия) составляет 180 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу, - 320 МПа, по предлагаемому способу - до 360 МПа.
Аналогичные результаты также были получены для образцов из материала ЭИ961 и 15Х11МФ.
Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение предлагаемого способа получения ионно-плазменного нанослойного покрытия на лопатках турбомашин при использовании различных комбинаций материалов наносимых слоев и слоев, полученных путем имплантации ионов, на различных этапах формирования нанослойного покрытия позволяет увеличить по сравнению с прототипом коррозионную и эрозионную стойкость, что подтверждает заявленный технический результат предлагаемого изобретения - повышение стойкости покрытия к коррозионному и эрозионному разрушению при одновременном повышении выносливости и циклической долговечности защищаемых деталей.