СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЛОПАТОК ПАРОВЫХ И ГАЗОВЫХ ТУРБИН ОТ СОЛЕВОЙ И ГАЗОВОЙ КОРРОЗИИ, ГАЗОАБРАЗИВНОЙ И КАПЕЛЬНО-УДАРНОЙ ЭРОЗИИ
METHOD FOR PROTECTION OF STEAM AND GAS TURBINES BLADES AGAINST SALT AND GAS CORROSION, GAS-ABRASIVE AND DROP-IMPINGEMENT EROSION

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток компрессора и турбины от солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии, при одновременном повышении выносливости и циклической долговечности.
В промышленности известен гальванический способ нанесения никель-кадмиевого (NiCd) покрытия на лопатки компрессора ГТД (Петухов А.Н. Усталость замковых соединений лопаток компрессоров // Труды ЦИАМ №1213, 1987. - 36 с.).
Недостатками этого способа являются невысокая устойчивость к солевой коррозии, экологический вред гальванического производства, а также вероятность наводороживания поверхности, обусловливающего снижение выносливости и циклической долговечности.
Также известен способ защиты стальных деталей машин от солевой коррозии последовательным осаждением в вакууме на поверхность пера первого слоя конденсированного покрытия 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 этого способа являются высокая температура отжига (=610°С), которая приводит к изменениям в структуре материала (например таких сталей как 20Х13, ЭИ961, 15Х11МФ). Кроме того, процесс осаждения таких 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.
7
Известен способ защиты стальных изделий от солевой коррозии (преимущественно лопаток паровых 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 "Способ защиты стальных деталей машин от солевой коррозии", 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 (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 усталостной и адгезионной прочности, что ухудшает эксплуатационные свойства деталей.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ защиты стальных деталей машин от солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии, 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, нитрида титана и нитрида титана, причем постимплантационный отпуск и нанесение многослойного покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл. (Патент РФ №2226227, кл. С23С 14/48, 27.03.2004).
Основным недостатком аналога является обеспечение недостаточно надежной защиты изделия от пылевой и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости, циклической прочности, что особенно важно при эксплуатации компрессорных лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) и лопаток паровых турбин, а также недостаточно широкого диапазона свойств защитных покрытий, снижающих возможность оптимизации покрытий по условиям эксплуатации защищаемых деталей.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение стойкости покрытия к солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости, циклической прочности, снижении трудоемкости практической реализации и расширение диапазона свойств защитных покрытий.
19
Технический результат достигается тем, что в способе защиты лопаток паровых и газовых турбин от солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии, включающем проведение ионной имплантации перед нанесением многослойного покрытия и нанесение в вакууме многослойного покрытия, в отличие от прототипа перед нанесением многослойного покрытия проводят ионную имплантацию, используя комбинации химических элементов Yb и В или комбинации Cr, Y, Yb, С, В, Zr с ионами N, причем многослойное покрытие наносят многократным чередованием слоев эрозионно-стойких и коррозионно-стойких материалов, например, чередованием слоев Ti, Zr, Cr и их нитридов. Толщина слоя может составлять от 100 нм до 2 мкм при общей толщине покрытия от 6 мкм до 100 мкм. Кроме того, возможны следующие варианты проведения дополнительной имплатационной обработки покрытия: после нанесения каждого слоя металла; после нанесения каждого слоя покрытия; после нанесения каждого слоя нитрида металла; при нанесении каждого слоя покрытия одновременно производят ионную имплантацию легирующими ионами. При этом в качестве легирующих ионов используют N, Cr, Y, Yb, С, В, Zr, а проведение постимплантационного отпуска совмещают с нанесением многослойного покрытия, причем постимплантационный отпуск и нанесение многослойного покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл, а ионную имплантацию проводят при энергии ионов 300-1000 эВ и дозе имплантации ионов 310 ион/см".
Для исследования стойкости лопаток паровых и газовых турбин на солевую и газовую коррозии, газоабразивную и капельно-ударную эрозию были изготовлены образцы из стали 20Х13, которые были подвергнуты (указанным в таблице 1) вариантам обработки с целью получения защитных покрытий. Количество образцов группы бралось равным трем.
Табл.1
№ Группы образцов
Имплантируемые ионы (в основу)
Имплантируемые ионы (в покрытие)
Материал слоев и схема их чередования
1 (Прототип)
N
-
4(Ti-TiN-TiN)
2
N+Cr
N
4(Ti-TiN-TiN)
3
Y
N
4(Ti-TiN-TiN)
4
Yb
Y
4(Zr-ZrN-ZrN)
5
С
N
4(Zr-ZrN-ZrN)
6
В
Cr,
4(Ti-TiN-TiN)
7
Zr
Y
4(Zr-ZrN-ZrN)
8
Y+N
Cr
3(Cr-CrN-Cr-CrN)
9
Y+Zr
Zr
3(Zr-ZrN-Zr-ZrN)
10
Y+Zr+N
Zr
3(Zr-ZrN-Zr-ZrN)
19
2
Режимы обработки образцов и нанесения покрытия: ионная имплантация (ионами N, Cr, Y, Yb, С,В, Zr) с энергией Е=300 эВ - 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 таблице 1) Толщины слоев во всех случаях составляли: первый слой - Me толщиной около 1 мкм, второй слой - нитрид Me толщиной около 2 мкм. Количество слоев во всех случаях бралось равным 12 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. Необходимо заметить, что условия испытаний были выбраны гарантированно жестче, чем реальные условия эксплуатации при сохранении реальных механизмов коррозии.
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 и 3.
Таблица 2
Коррозионная стойкость.
Результаты внешнего осмотра
Результаты взвешивания, г.
Потеря массы, г
№ п/п
До удаления продуктов коррозии
После удаления продуктов коррозии
В исход. сост.
После испытаний
С продуктами корр.
После их удаления
1
Продукты коррозии по всему периметру образца
Точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
34,8154
34,7594
34,6846
0,1308
2
Продукты коррозиипо всему периметру образца
Точечныеповреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
34,5618
34,5121
344872
0,0746
3
Продукты коррозии по периметру образца
Отдельные точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
34,6713
34,6356
34,6180
0,0533
4
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
33,9782
33,9501
33,9361
0,0421
5
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
34,1271
34,1063
34,0959
0,0312
6
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат.увеличении)
34,2785
34,2384
34,2184
0,0601
7
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
34,1778
34,1579
34,1477
0,0301
8
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечныеповреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
34,6126
34,5923
34,5804
0,0322
9
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
33,7289
33,7079
33,6949
0,0340
10
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
34,3274
34,3042
34,2906
0,0368
Таблица 3
Оценка глубины коррозионных повреждений
№ п/п
Толщина покрытия, мкм
Глубина повреждения покрытия, мкм
Глубина повреждения основного материала, мкм
0
без покрытия
без покрытия
89
1
Около 18
Повреждение покрытия до основного материала
6
2
Повреждение покрытия до 9 мкм
нет
3
Повреждение покрытия до 8 мкм
нет
4
Повреждение покрытия до 6 мкм
нет
5
Повреждение покрытия до 7 мкм
нет
6
Повреждение покрытия до 9 мкм
нет
7
Повреждение покрытия до 8 мкм
нет
8
Повреждение покрытия до 11 мкм
нет
9
Повреждение покрытия до 5 мкм
нет
10
Повреждение покрытия до 4 мкм
нет
Таблица 4
Стойкость к пылевой эрозии.
№ п/п
Потеря массы, мкм
Увеличение стойкости, раз
0
4,07
-
1
0,57
7,14
2
0,47
8,68
3
0,45
9,11
4
0,44
9,14
5
0,42
9,56
6
0,43
9,45
7
0,41
10,01
8
0,35
11,56
9
0,28
14,47
10
0,29
13,94
Таблица 5
Стойкость к капельно-ударной эрозии.
№ п/п
Увеличение стойкости, раз
о
-
1
2,87
2
3,59
3
3,78
4
4,15
5
4,98
6
5,67
7
6,62
8
5,13
9
3,69
10
7,15
Анализ результатов сравнительных коррозионных испытаний показал, что наилучшие защитные свойства обеспечивает предлагаемый способ нанесения многослойного покрытия. Образец, обработанный по предлагаемому способу, характеризуется наименьшей потерей массы и минимальной площадью поверхности, пораженной коррозией. При этом глубина наблюдаемых коррозионных повреждений не превысила толщины покрытия и не достигла основного материала, что свидетельствует о высокой надежности наносимого многослойного покрытия.
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 265-311 К, 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.4. Из таблицы видно, что стойкость к пылевой эрозии у образца, обработанного по предлагаемой методике, увеличилась, приблизительно в 7…14 раз, а по сравнению с прототипом в 1,3…2 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.5. Установлено, что стойкость к капельно-ударной эрозии у образцов, обработанных по предлагаемому способу, увеличилась приблизительно от 1,3 до 2,5 раз по сравнению с прототипом.
-1
Дополнительно 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 предлагаемому способу - до 380 МПа; при испытаниях в коррозионной среде условный предел выносливости образцов в исходном состоянии (без покрытия) составляет 180 МПа, у образцов, упрочненных по предлагаемому способу - до 320 МПа.
19
2
Повышение предела выносливости у обработанных образцов во всех видах испытаний указывает на то, что ионная имплантация с использованием комбинации химических элементов Yb и В или комбинации Cr, Y, Yb, С, В, Zr с ионами N, а также многослойное покрытие, нанесенное многократным чередованием слоев эрозионно-стойких и коррозионно-стойких материалов, например чередованием слоев Ti, Zr, Cr и их нитридов, при толщине слоя от 100 нм до 2 мкм и при общей толщине покрытия от 6 мкм до 100 мкм, при применении одного из следующих вариантов проведения дополнительной имплатационной обработки покрытия: после нанесения каждого слоя металла; после нанесения каждого слоя покрытия; после нанесения каждого слоя нитрида металла; при нанесении каждого слоя покрытия одновременно производят ионную имплантацию легирующими ионами, при использовании в качестве легирующих ионов N, Cr, Y, Yb, С, В, Zr, и проведении постимплантационного отпуска совмещенным с нанесением многослойного покрытия, в одном вакуумном объеме за один технологический цикл и проведении ионной имплантации при энергии ионов 300-1000 эВ и дозе имплантации ионов 3·10 ион/см - значительно улучшает усталостные свойства материала как на воздухе, так и в коррозионной среде.
Аналогичные результаты также были получены для образцов из материала ЭИ961 и 15Х11МФ.
Таким образом, проведенные лабораторные исследования показали, что применение предлагаемого способа нанесения покрытия при использовании различных комбинаций имплантитуемых ионов на различных этапах формирования многослойного покрытия позволяет увеличить по сравнению с прототипом стойкость к солевой коррозии, пылевой (до 2 раз), капельной эрозии (до 2,5 раз), МПа), при уменьшении трудоемкости нанесения покрытия и расширении диапазона свойств покрытий, что подтверждает заявленный технический результат.
Пример конкретной реализации способа
4
Обработку поверхности лопаток паровых турбин 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 65°С. 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
Имплантируемый ион - Азот
Энергия ионов 300-1000 эВ
2
Плотность ионного тока 5-10 мА/см
19
2
Доза имплантации ионов 3·10 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 400°С 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 1 мкм, второй слой - ε-нитрид титана толщиной 2 мкм, третий слой - α-нитрид титана толщиной 2 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 четыре раза и, тем самым, доводят толщину многослойного покрытия до величины 201 мкм. Режимы при нанесении покрытия: ток 1=140 А, напряжение U=140 В.