СПОСОБ ИОННО-ИМПЛАНТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ЛОПАТОК РАБОЧЕГО МОНОКОЛЕСА КОМПРЕССОРА ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF ION-IMPLANTATION TREATMENT COMPRESSOR'S MONO-WHEEL BLADES MADE OF TITANIUM ALLOYS

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).
2
2
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/см до 160 мкА/см 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).
3
2
6
8
2
2
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⋅10 Вт/см с предварительным облучением поверхности импульсным ионным пучком с плотностью мощности 5⋅10-10 Вт/см и удельной энергией в импульсе 0,5-10 Дж/см.
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
17
2
2
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⋅10 ион/см до 2,2⋅10 ион/см. 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.
17
2
17
2
17
2
17
2
17
2
Ионная имплантация ионами азота: энергия - 16 кэВ (Н.Р.); 20 кэВ (У.Р.); 35 кэВ (У.Р.); 40 кэВ (Н.Р.); доза - 1,6⋅10ион/см (Н.Р.); 1,8⋅10ион/см (У.Р.); 2,0⋅10ион/см (У.Р.); 2,2⋅10ион/см (У.Р.); 2,4⋅10ион/см (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.
-1
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) образцов в исходном состоянии составляет 370 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу - 380-390 МПа, а по предлагаемому способу 400-440 МПа.
17
2
17
2
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⋅10 ион/см до 2,2⋅10 ион/см; 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.