СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАНОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ НА ЛОПАТКАХ ТУРБОМАШИН ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD FOR PRODUCTION OF ION-PLASMA NANOLAYER COATING ON TURBOMACHINE BLADES FROM TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток компрессора и турбины из титановых сплавов от 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, C23C 14/34, 10.11.2002].
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 C23C 14/16, 30/00, C22C 19/05, 21/04, 20.04.2001).
Основным недостатком этого способа является обеспечение недостаточно высокой эрозионной стойкости лопатки. 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 C23C 14/48, 27.03. 2004).
Основным недостатком аналога является недостаточная надежность защиты от 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 широкого диапазона свойств защитных покрытий, снижающих возможность оптимизации покрытий по условиям эксплуатации защищаемых деталей.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение стойкости покрытия к 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 титановых сплавов, 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 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 до 9 нм, а затем повторяют чередующееся нанесение слоев металла толщиной от 10 до 30 нм с последующей имплантацией ионов на глубину от 1 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 от 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 стойкость были проведены следующие испытания. На образцы из титанового сплава ВТ6 были нанесены покрытия по способу-прототипу и предлагаемому способу (табл.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
Сг
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
B и N
16 нм / 8 нм
-Zr-ZrB-Zr-ZrN-Zr-ZrN-
10
Y+Zr+N
С и N
10 нм / 6 нм
-W-WN-W-WC-
8
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 последующим 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.
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 265-311 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 таблице 2. Из таблицы видно, что стойкость к эрозии у образца, обработанного по предлагаемой методике, увеличилась приблизительно в 8…9,5 раза, а по сравнению с прототипом в 3…3,7 раза.
Таблица 2
Эрозионная стойкость
№ п/п
Потеря массы, г
Увеличение стойкости, раз
№ п/п
Потеря массы, г
Увеличение стойкости, раз
0
7,23
-
6
0,91
7,95
1(Прототип)
2,77
2,61
7
0,85
8,51
2
0,89
8,12
8
0,90
8,03
3
0,87
8,31
9
0,82
8,82
4
0.92
7,86
10
0, 75
9,64
5
0,81
8,93
Результаты сравнительных испытаний на эрозионную стойкость образцов с покрытиями показали, что предлагаемый способ нанесения нанослойного покрытия, по сравнению с прототипом, позволяет получать покрытия с более высокой эрозионной стойкостью.
-1
Кроме того, были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из титанового сплава ВТ6 на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости (σ) образцов в исходном состоянии (без покрытия) составляет 400 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу, - 470-480 МПа, а по предлагаемому способу 540-560 МПа.
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, эрозионную стойкость, выносливость и циклическую прочность, что подтверждает заявленный технический результат предлагаемого изобретения.