ЛОПАТКА ТУРБИНЫ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к лопаткам энергетических и транспортных турбин, и, в особенности, газовых турбин авиадвигателей с жаростойкими покрытиями.
Газотурбинные установки и двигатели находят все более широкое применение в современной технике: двигатели самолетов и вертолетов, судовые газотурбинные двигатели, энергетические газотурбинные турбинные установки (ГТУ) и газоперекачивающие агрегаты. К основным деталям, определяющим надежность, экономичность и ресурс их работы, являются рабочие лопатки турбины. Длительная эксплуатация лопаточного аппарата турбины возможна лишь при условии изготовления рабочих лопаток из жаропрочных сплавов на никелевой или кобальтовой основе. В процессе эксплуатации, лопатки подвергаются воздействию повышенных механических нагрузок, высоких температур и агрессивных сред. Результатом такого комплексного воздействия на деталь является ее быстрый выход из строя, что не обеспечивает требуемого ресурса изделия в целом. Для решения проблемы повышения работоспособности лопаток турбины используются различные эффективные защитные покрытия [1. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов / Н.В.Абраимов, Ю.С.Елисеев. - М.: Интермет Инжиниринг, 2001. - 622 с.]. Применяемые для защиты лопаток жаростойкие покрытия, при их достаточной стабильности в условиях эксплуатации, могут ощутимо снизить процессы разрушения основного материала детали и обеспечить ее работоспособность в условиях высоких температур.
Наиболее перспективными материалами, используемыми для формирования жаростойких покрытий являются сплавы систем: Me-Cr-Al-Y, где Me - Ni, Co или их сочетание, а также сплавы сочетающие Ni, Cr, Al, Si, Y, B. [2. Мубаяджан С.А.]. Применяются как однослойные [3. Патент США №4475503], так и двухслойные покрытия, например, с внешним слоем на основе алюминидов никеля [4. патент США №4080486].
Известно жаростойкое покрытие состава NiCrAlY, которое нанесено в вакууме [6. Мубояджян С.А., Каблов Е.Н., Будиновский С.А. Вакуумно-плазменная технология получения защитных покрытий из сложнолегированных сплавов, МиТОМ. 1995, №2, с.15-18], а также подобное покрытие, дополнительно подвергнутое алитированию [7. П.Т.Коломыцев. Высокотемпературные защитные покрытия для никелевых сплавов. - М.: Машиностроение, 1991, с 146; Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985, с 253-254].
Недостатком известных лопаток с жаростойкими покрытиями является интенсивный диффузионный обмен между слоем MeCrAlY и основным материалом детали, приводящий к снижению эксплуатационных свойств лопаток турбин ГТД и ГТУ.
2
Наиболее близким по технической сущности является лопатка турбины для газотурбинных двигателей и энергетических установок, содержащее на пере и полке лопатки жаростойкое покрытие, состоящее из внутреннего жаростойкого слоя и нанесенного на него внешнего жаростойкого слоя [8. Патент РФ №1658652. МПК С23С 14/00. Способ получения комбинированного жаростойкого покрытия, опубл. 2000 г.]. Известная лопатка содержит жаростойкое покрытие, полученное осаждением в вакууме внутреннего слоя покрытия из сплава на основе никеля, содержащего кобальт, хром, алюминий и редкоземельный элемент, последующее осаждение внешнего слоя покрытия из сплава на основе алюминия, содержащего в качестве легирующей добавки никель, при содержании в каждом из слоев алюминия в количестве 20-80 г/м и толщине внутреннего слоя покрытия 30-100 мкм и последующий вакуумный отжиг.
Основным недостатком прототипа является низкая жаростойкость и недостаточная выносливость и циклическая прочность, т.е. параметры, которые необходимо обеспечивать при эксплуатации лопаток газотурбинных двигателей и установок.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение жаростойкости покрытия при одновременном повышении выносливости и циклической прочности лопаток.
Технический результат достигается тем, что лопатка турбины для газотурбинных двигателей и энергетических установок, содержащая на пере и полке лопатки жаростойкое покрытие, состоящее из внутреннего жаростойкого слоя и нанесенного на него внешнего жаростойкого слоя, в отличие от прототипа, лопатка содержит поверхностный слой основного материала лопатки, модифицированный ионно-имплантационной обработкой, ионами N, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, а в качестве материала для формирования внутреннего жаростойкого слоя применен сплав состава: Cr - 18% до 30%, Аl - 5% до 13%, Y - от 0,2% до 0,65%, Ni - остальное, а в качестве материала для формирования внешнего жаростойкого слоя применен сплав состава; Si - от 4,0% до 12, 0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Аl - остальное, причем внутренний и внешний жаростойкие слои сформированы в виде микро- и/или нанослоев, образованных в результате периодической имплантации ионами N, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием при нанесении материалов внутреннего и внешнего слоев.
Технический результат достигается также тем, что лопатка турбины: дополнительно, под внутренним жаростойким слоем содержит слой, состоящий из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм; толщина внутреннего жаростойкого слоя составляет от 2 мкм до 10 мкм, а количество микро- или нанослоев в жаростойком слое составляет от 3 до 200; толщина внешнего жаростойкого слоя составляет от 10 мкм до 60 мкм, а количество микро- или нанослоев в жаростойком слое составляет от 3 до 1000; покрытие дополнительно, под внешним слоем содержит слой, состоящий из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм.
10
20
Технический результат достигается также тем, что в лопатке турбины: нанесение слоев покрытия осуществлено шликерным и/или газотермическим и/или вакуумными ионно-плазменными методами и/или магнетронными методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме; ионная имплантация проведена при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см; покрытие после его нанесения подвергнуто диффузионному отжигу.
Для оценки стойкости известных и предлагаемых лопаток газовых турбин, были проведены следующие испытания. Режимы и условия нанесения покрытий на образцы из кобальтовых и никелевых сплавов (ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893, U-5000) приведены в таблице 1.
Табл.1
№ Группы образцов
Ионы, имплантируемые в основу
Ионы, имплантируемые в покрытие
Внутренний слой
Внешний слой
Дополнительный слой га поверхности лопатки
Дополнительный слой на внутреннем слое
1
2
3
4
5
6
7
(Прот)
-
-
Co - 20%
Si - 12%
-
-
Cr - 30%
Ni - 10%
Al - 13%
В - 1,6%
Y - 0,6%
Al - ост.
Ni - ост.
1
Nb
Y+Pt
Cr - 18%
Si - 4,0%
Nb, толщ. 0,1 мкм
Nb, толщ. 0,1 мкм
2
Yb
Y+Cr
Al - 5%
Y - 1,0%
3
Yb+Nb
Y+Cr
Y - 0,2%
Al - ост.
Pt, толщ. 0,1 мкм
4
Pt
Nb
Ni - oct.
5
Y
Nb
Cr - 30%,
Si-12,0%
Nb+Pt, толщ. 0,5 мкм
Nb, толщ. 2,0 мкм
6
Y+Pt
Yb
Al - 13%,
Y - 2,0%
7
Y+Cr
Yb
Y - 0,65%,
Al - ост.
Nb, толщ. 2,0 мкм
Cr, толщ. 0,1 мкм
8
Y+Cr
Pt
Ni - ост.
9
Hf+Nb
Y
Cr - 22%
Si - 6,0%
Pt, толщ. 0,1 мкм
Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм
10
La+Nb+Y
Cr+Si
Al - 11%,
Y - 1,5%
11
Yb+Nb
Yb+Nb
Y - 0,5%,
Al - ост.
Cr, толщ. 0,1 мкм
Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм
12
Si+Cr
Hf+Nb
Ni - ост.
13
Y
Y
Cr - 24%
Si - 8,0%
Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм
Pt, толщ. 2,0 мкм
14
Pt
Nb
Al - 8%,
Y - 1,0%
15
Cr+Si
Pt
Y - 0,4%
Al - ост.
Pt, толщ. 2,0 мкм
Nb+Pt, толщ. 0,5 мкм
16
Nb
Cr+Si
Ni - ост.
17
La
Hf
Cr - 26%
Si - 10%
Cr, толщ. 2,0 мкм
Pt, толщ. 0,1 мкм
18
La
La
Al - 10%,
Y - 2,0%
19
Yb+Nb
Yb
Y - 0,3%,
Al - ост.
Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм
Cr, толщ. 2,0 мкм
20
Yb
Yb
Ni - ост.
10
20
2
Режимы обработки образцов и нанесения покрытия: ионная имплантация (N, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием) при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см, (диффузионный отжиг в вакууме при температуре 400°С в течение 1 ч). Материал слоев и схема их чередования - согласно таблицы 1. Толщины слоев составляли: по способу-прототипу внутренний слой - толщиной 40 мкм и 80 мкм, внешний слой - 80 мкм и 40 мкм. При формировании по предлагаемому способу толщина внутреннего жаростойкого слоя составляла от 2 мкм до 10 мкм, а количество микро- или нанослоев в жаростойком слое составлял от 3 до 200; толщина внешнего жаростойкого слоя составляла от 10 мкм до 60 мкм, а количество микро- или нанослоев - от 3 до 1000.
-1
Были также проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из никелевых и кобальтовых сплавов ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893, U-5000 в условиях высоких температур (при 870-950°С) на воздухе. В результате проведенных испытаний было установлено следующее; условный предел выносливости (σ) лопаток составляет:
1) по известному способу - никелевые сплавы в среднем 230-250 МПа, кобальтовые - 220-235 МПа;
2) по предлагаемому способу никелевые сплавы в среднем 260-290 МПа, кобальтовые - 250-275 МПа (таблица 2);
Табл.2
№ группы образцов
Никелевые сплавы, МПа
Кобальтовые сплавы, МПа
1
2
3
1
260-285
240-255
2
265-290
250-265
3
265-290
250-270
4
270-300
240-265
5
280-295
250-275
6
275-290
245-270
7
260-290
250-275
8
270-300
250-265
9
280-295
240-250
10
275-290
250-280
11
275-290
245-275
12
280-300
245-270
13
270-295
250-275
14
275-290
250-265
15
265-290
250-270
16
280-300
240-275
17
280-295
250-275
18
270-280
245-270
19
265-280
250-275
20
280-300
240-255
2
Изотермическая жаростойкость покрытий оценивалась на образцах диаметром d=10 мм и длиной 1=30 мм. Образцы с покрытиями помещались в тигли и выдерживались на воздухе при температуре Т=1200°С. Жаростойкость покрытий оценивалась по характерному времени (τ) до появления первых очагов газовой коррозии или других дефектов, которые определялись путем визуального осмотра через каждые 50 часов испытаний при температуре 1200°С. Взвешивание образцов вместе с окалиной производилось через 500 и 1000 ч испытаний, при этом определялась величина удельного прироста массы образца на единицу его поверхности по сравнению с исходным весом ΔР, г/м. Полученные результаты представлены в таблице 3.
Табл.3
№ группы образцов
Циклическая жаростойкость, цикл.
Изотермическая жаростойкость,
τ, ч
ΔР, г/м<sup>2</sup>
500 ч
1000 ч
1
2
3
4
5
0
550
350
7,4
13,1
1
750
650
6,1
10,4
2
700
600
5,8
9,8
3
800
700
6,3
10,1
4
900
750
4,4
8,8
5
850
700
5,9
9,1
6
900
850
3,6
7,9
7
950
850
3,4
7,8
8
700
600
6,2
9,9
9
900
850
4,1
8,7
10
800
700
5,7
10,2
11
900
800
4,5
8,8
12
750
650
5,6
9,7
13
750
600
5,8
10,1
14
900
800
4,3
9,9
15
850
750
4,9
9,4
16
900
850
4,4
8,8
17
800
700
5,1
8,9
18
800
650
5,4
8,7
19
850
700
5,3
9,3
20
800
700
5,7
9,9
10
20
2
Повышение жаростойкости покрытий и предела выносливости лопаток из никелевых и кобальтовых сплавов с покрытиями (таблицы 2 и 3), указывает на то, что в следующих вариантах лопаток с жаростойкими покрытиями: лопатка, содержащая на пере и полке лопатки жаростойкое покрытие, состоящее из внутреннего жаростойкого слоя и нанесенного на него внешнего жаростойкого слоя; лопатка содержащая поверхностный слой основного материала лопатки, модифицированный ионно-имплантационной обработкой, ионами N, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, а в качестве материала для формирования внутреннего жаростойкого слоя применен сплав состава: Cr - 18% до 30%, Al - 5% до 13%, Y - от 0,2% до 0,65%, Ni - остальное, а в качестве материала для формирования внешнего жаростойкого слоя применен сплав состава: Si - от 4,0% до 12, 0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное, причем внутренний и внешний жаростойкие слои сформированы в виде микро- и/или нанослоев, образованных в результате периодической имплантации ионами N, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетании при нанесении материалов внутреннего и внешнего слоев; лопатка турбины, содержащая следующие признаки: дополнительно, под жаростойким слоем слой, состоящий из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм; толщина внутреннего жаростойкого слоя составляет от 2 мкм до 10 мкм, а количество микро- или нанослоев в жаростойком слое составляет от 3 до 200; толщина внешнего жаростойкого слоя составляет от 10 мкм до 60 мкм, а количество микро- или нанослоев в жаростойком слое составляет от 3 до 1000; покрытие дополнительно, под внешним слоем содержит слой, состоящий из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм; в лопатке турбины: нанесение слоев покрытия осуществлено шликерным и/или газотермическим и/или вакуумными ионно-плазменными методами и/или магнетронными методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме; ионная имплантация проведена при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10ион/см; покрытие после его нанесения подвергнуто диффузионному отжигу - позволяют достичь технического результата заявляемой полезной модели - повышения жаростойкости покрытия при одновременном повышении выносливости и циклической прочности лопаток.