СПОСОБ ИОННО-ИМПЛАНТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ЛОПАТОК МОНОКОЛЕСА КОМПРЕССОРА
METHOD OF ION-IMPLOSION TREATMENT OF BLADES OF A BLISK OF A COMPRESSOR

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для упрочнения рабочих лопаток моноколеса (блиска) компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) из высоколегированных сталей и титановых сплавов для повышения эксплуатационных характеристик.
2
Известен способ азотирования изделий из титанового сплава в тлеющем разряде, который включает вакуумный нагрев изделий из титанового сплава в тлеющем разряде в плазме азота повышенной плотности. Плазму азота повышенной плотности формируют в кольцевой области вращения электронов, захваченных магнитным полем, а азотирование упомянутых изделий выполняют в смеси газов N 50%÷60%+Ar 50÷40% при давлении 40 Па и нагреве изделий до температуры 700÷730°С с выдержкой в течение 2-3 часов. Затем осуществляют восстановительный отжиг при 800÷830°С в аргоне с выдержкой в течение 30 мин, после чего изделия охлаждают в вакууме. Обеспечивается интенсификация процесса азотирования, формирование развитого нитридного диффузионного слоя, повышающего циклическую усталость. (RU 2611607, МПК С23С 8/36, С23С 8/24, опубликовано: 28.02.2017.)
Основным недостатком этого способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей из титановых сплавов при их ионном азотировании по сравнению с ионной имплантацией.
Известен способ ионной имплантации поверхностей деталей из титановых сплавов, включающий обработку поверхности деталей лазерным лучом, который фокусируют в пятно в форме круга с удельной мощностью излучения 200-450 Вт/мм2, после чего пятно перемещают по обрабатываемой поверхности со скоростью 45-70 мм/с и проводят имплантацю ионов азота с дозой (2-6)⋅1017 ион/см2. Повышаются эксплуатационные свойства изделий из титановых сплавов за счет повышения износостойкости при высоких показателях усталостной прочности (RU 2470091, МПК С23С 14/48, опубликовано: 20.12.2012).
Основным недостатком данного аналога способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей. Это связано с недостаточно рациональными вариантами обработки поверхности деталей из титановых сплавов при использовании методов лазерной обработки и ионно-имплантационного воздействия. При этом повышение указанных характеристик особенно важно для таких деталей, как компрессорные лопатки ГТД.
19
19
-3
Известен способ модификации титановых сплавов, который позволяет улучшить эксплуатационные характеристики деталей из титановых сплавов путем последовательной обработки пучками ионов аргона с энергией 250 -400 эВ, плотностью ионного тока 1-10 мА/см2 и дозой (1-2)⋅10 ион/см2, ионов азота с энергией 250-400 эВ, плотностью ионного тока 10-40 мА/см2, дозой (1-2)⋅10 ион/см2 и последующего стабилизирующего отжига при 450-600°С в вакууме (1-5)⋅10 Па в течение 1,5-2 ч (RU 2117073, МПК С23С 14/48, опубликовано: 10.08.1998).
Основным недостатком данного аналога способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей. Это связано с недостаточно рациональными вариантами обработки поверхности деталей из титановых сплавов с использованием трехступенчатой обработки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов. Способ включает ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. Ионную очистку проводят при энергии от 8 до 10 кэВ и плотности тока от 130 мкА/см2 до 160 мкА/см2 в течение от 0,3 до 1,0 часа. Ионно-имплантационную обработку поверхности детали проводят при энергии от 25 до 30 кэВ. Ионную имплантацию проводят в непрерывном в импульсном режиме. Способ позволяет повысить предел выносливости и циклической долговечности деталей из титановых сплавов (RU 2479667, МПК С23С 14/48, опубликовано: 20.04.2013).
Основным недостатком этого способа 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. Тем самым не обеспечивается равномерное повышение физико-механических и эксплуатационных характеристик лопаток моноколеса.
Задачей настоящего изобретения является равномерная модификация поверхностного слоя лопаток моноколеса, позволяющая повысить физико-механические и эксплуатационные свойства.
Технический результат заключается в повышении физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик лопаток моноколеса компрессора ГТД: выносливости и циклической долговечности, за счет обеспечения их равномерной ионно-имплантационной обработки.
17
2
17
Поставленная задача и технический результат достигаются в способом ионно-имплантационной обработки лопаток моноколеса компрессора, в котором согласно изобретению в вакуумной камере устанавливают два источника ионов, вертикальные плоскости которых, проходящие через центр ионного источника и параллельные направлению движения потока ионов расположены под углом 0°-180° и на разном уровне относительно друг друга: при этом ионные источники равно удалены на расстояние h от горизонтальной плоскости, проходящей через ось вращения моноколеса, моноколесо устанавливают на валу держателя и производят ионно-имплантационную обработку лопаток, непрерывно вращая моноколесо вокруг вертикальной оси, проходящей через центр моноколеса и пересекающей направление движения потока имплантируемых ионов, одновременно поворачивают моноколесо вокруг своей продольной оси до получения заданной дозы имплантируемых ионов, а ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки проводят ионами азота при энергии от 15 до 40 кэВ, дозой от 1,5⋅10 ион/см до 2,5⋅10 ион/см.
Для оценки эксплуатационных свойств лопаток моноколес были проведены следующие испытания. Образцы из высоколегированных сталей и титановых сплавов были подвергнуты ионно-имплантационной обработке как по способу-прототипу (согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам обработки по патенту RU №2479667, МПК С23С 14/48,20.04.2013), 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⋅10 ион/см (Н.Р.); 1,8⋅10 ион/см (У.Р.); 2,0⋅10 ион/см(У.Р.); 2,2⋅10 ион/см (У.Р.); 2,4⋅10 ион/см (Н.Р.).
Ионную имплантацию проводили в непрерывном режиме с двумя источниками ионов. В качестве деталей из высоколегированных сталей и титановых сплавов использовались лопатки компрессора ГТД. Для ионно-имплантационной обработки использовали два протяженных генератора газовой плазмы, выполненных с возможностью обеспечения работы с азотом и имеющих размеры выходной апертуры 400×100 мм.
Были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из высоколегированных сталей и титановых сплавов (20Х13, 15X1 1МФ, ЭИ961, ЭП866, ВТ6, ВТ 18-У и ВТ8) на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости образцов из высоколегированных сталей в исходном состоянии составляет 315 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу, - 345-360 МПа, а по предлагаемому способу -370-385 МПа; образцов из титановых сплавов в исходном состоянии составляет 365 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу -375-385 МПа, а по предлагаемому способу 395-445 МПа.
Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе ионно-имплантационной обработки деталей из высоколегированных сталей и титановых сплавов предложенной согласно изобретению совокупности операций, позволяет увеличить, по сравнению с прототипом, выносливость и циклическую прочность, что подтверждает обеспечение заявленного технического результата предлагаемого изобретения
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлено устройство для реализации способа ионно-имплантационной обработки лопаток моноколеса компрессора
На фиг. 2 - схема установки ионных источников на вакуумной камере.
Пример конкретной реализации способа
Устройство для реализации способа содержит: вакуумную камеру 1, вал держателя 2, моноколесо 3, нижний источник ионов 4, верхний источник ионов 5.
17
2
17
2
В вакуумной камере 1 установлен вал держателя 2, на котором крепится моноколесо 3. Также в вакуумной камере 1 установлены два источника ионов: нижний 4 и верхний 5, вертикальные плоскости которых, проходящие через центр ионного источника и параллельные направлению движения потока ионов расположены под углом 0°-180° и на разном уровне относительно друг друга: один на уровне верхних лопаток, второй - на уровне нижних лопаток моноколеса компрессора, при этом ионные источники равно удалены от горизонтальной плоскости, проходящей через ось вращения моноколеса, моноколесо устанавливают на валу держателя и производят ионно-имплантационную обработку лопаток, непрерывно вращая моноколесо вокруг вертикальной оси, проходящей через центр моноколеса и пересекающей направление движения потока имплантируемых ионов, одновременно поворачивают моноколесо вокруг своей продольной оси для равномерной имплантации всех лопаток до получения заданной дозы имплантируемых ионов, а ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки проводят ионами азота при энергии от 15 до 40 кэВ, дозой от 1,5⋅10 ион/см до 2,5⋅10 ион/см.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить физико-механические свойства и эксплуатационные характеристики лопаток моноколеса компрессора ГТД: выносливости и циклической долговечности, за счет обеспечения их равномерной ионно-имплантационной обработки.