СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭРОЗИОННО СТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ, СОДЕРЖАЩЕГО НАНОСЛОИ, ДЛЯ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
METHOD OF OBTAINING EROSION-RESISTANT COATING CONTAINING NANO-LAYERS FOR BLADES OF TURBOMACHINES FROM ALLOYED STEELS

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).
Недостатком этого способа является 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).
Известен также способ защиты стальных деталей машин от солевой и газовой 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 нитридов 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).
Основными недостатками известных способов являются невысокая стойкость получаемого покрытия к солевой коррозии (в связи с его пористостью - для способа по патенту РФ №2165475) и недостаточная стойкость 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 получения коррозионно-эрозионно стойкого нанослойного покрытия для лопаток турбомашин из легированных сталей, включающий вакуумно-плазменное нанесение на основе нитридов, карбидов и/или карбонитридов титана, циркония, алюминия и комбинации соединений этих металлов с азотом и углеродом нанотолщинных слоев, формируемых при вращении деталей вокруг собственной оси и относительно последовательно расположенных катодов из разнородных материалов (Патент США №5882777, МПК С23С 14/06, С04В 41/45; Sumitomo Electric Industries, Ltd. (Osaka, JP) - 1999 г.; а также Патент РФ №2269592, МПК С23С 14/06, опубл. 2006.02.10).
Основными недостатками прототипа являются низкая надежность защиты изделия от пылевой и капельно-ударной эрозии и недостаточная выносливость и циклическая прочность, т.е. параметры, которые необходимо обеспечивать при эксплуатации компрессорных лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) и лопаток паровых турбин.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение стойкости покрытия к солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.
Технический результат достигается тем, что в способе получения эрозионно стойкого покрытия, содержащего нанослои, для лопаток турбомашин из легированных сталей, включающем вакуумно-плазменное осаждение металлического подслоя и нанослоев из нитридов, карбидов и/или карбонитридов алюминия или соединения титана, циркония и алюминия с азотом и/или углеродом, при этом после осаждения подслоя и каждого нанослоя проводят его ионно-имплантационную обработку, в отличие от прототипа нанослои формируют при вращении лопаток вокруг собственной оси и относительно последовательно расположенных катодов, а ионно-имплантационную обработку осуществляют устройствами для имплантации ионов, расположенными между катодами.
10
20
2
Технический результат достигается также тем, что в способе получения эрозионно стойкого покрытия ионно-имплантационную обработку проводят ионами легирующих элементов Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией, в частности, при энергии ионов 0,2-300 кэВ и плотности ионов от 10 до 5·10 ион/см.
Технический результат достигается также тем, что в способе получения эрозионно стойкого покрытия проводят взаимное экранирование потоков распыляемого материала, при помощи экранов, расположенных между катодами и устройствами имплантируемых ионов.
Технический результат достигается также тем, что в способе получения эрозионно стойкого покрытия при осаждении нанослоев используют составные катоды, содержащие либо титан и цирконий, либо титан, алюминий и цирконий.
10
20
2
Технический результат достигается также тем, что в способе получения эрозионно стойкого покрытия перед нанесением металлического подслоя поверхность лопатки подвергают имплантации ионами легирующих элементов при энергии ионов 0,2-300 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см и постимплантационному отжигу, при этом в качестве ионов легирующих элементов используют ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацию, а имплантацию, постимплантационный отжиг и нанесение покрытия производят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.
Технический результат достигается также тем, что в способе получения эрозионно стойкого покрытия толщины нанослоев выбирают в диапазоне от 0,1 до 20 нанометров.
Технический результат достигается также тем, что в способе получения эрозионно стойкого покрытия толщину нанослоя регулируют путем изменения при осаждении времени половины оборота детали вокруг собственной оси и средней скорости осаждения осаждаемого компонента по следующим зависимостям:
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i+1
i
i+1
i+1
i+1
t=vτ, где t - толщина нанослоя покрытия, сформированная из i-го компонента, τ - время половины оборота детали вокруг собственной оси, обеспечивающее формирование нанослоя из i-го компонента; v=H/τ - средняя скорость осаждения покрытия из i-го компонента, образующего нанослой покрытия, где H- суммарная толщина слоев, сформированных из i-го компонента в покрытии, нанесенном при вращении детали, τ - время формирования покрытия, при этом в качестве i-х компонентов используют нитриды, карбиды и/или карбонитриды алюминия или соединение титана, циркония и алюминия с азотом и/или углеродом (i=1, 2, 3…20), v/v=H/H, где v - средняя скорость осаждения нанослоя из (i+1)-го компонента, H - суммарная толщина нанослоев, сформированных из (i+1)-го компонента в покрытии, нанесенном при вращении детали.
Технический результат достигается также тем, что в способе получения эрозионно стойкого покрытия перед нанесением покрытия проводят полирование поверхности пера лопатки электролитно-плазменной обработкой.
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 табл.1) вариантам обработки с целью получения защитных покрытий. Количество образцов группы бралось равным трем.
Таблица 1
№
Ионы,
Ионы,
Материал слоев и схема их чередования
Группы образцов
имплантируемые в основу
имплантируемые в покрытие
1 (Прототип)
N
-
-Ti-TiN-TiN-
2
N+Cr
N
-TiC-TiN-TiNC-
3
Y
N
-TiAlN-TiN-TiAlN-
4
Yb
Y
-ZrC-ZrN-ZrNC-ZrN-
5
С
N
-ZrTiN-ZrN-ZrCN-
6
В
Cr
-TiAlN-TiCN-TiN-TiCN-
7
Zr
Y
-ZrC-ZrN-ZrN-
8
Y+N
Cr
-ZrC-ZrCN-ZrN-
9
Y+Zr
Zr
-ZrAl-ZrN-ZrAl-ZrN-
10
Zr+N
Zr
-ZrC-ZrN-ZrC-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=310 ион/см (при имплантации ионов в основу постимплантационный отпуск в вакууме при температуре 400°С в течение 1 ч). Материал слоев и схема их чередования - согласно табл.1. Толщины слоев составляли: по способу-прототипу первый слой - Me толщиной 1 мкм, второй слой - нитрид Me толщиной 2 мкм, при общем количестве слоев 14 при общей толщине покрытия 21 мкм. При формировании по предлагаемому способу общая толщина покрытия составляла также величину 21 мкм, при толщинах нанослоев в диапазоне от 0,1 до 20 нанометров.
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 и удаления продуктов коррозии
1
Продукты коррозии по всему периметру образца
Точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
34,8154
34,6846
0,1308
2
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
34,8717
34,8272
0,0445
3
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Отдельные точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
34,7896
34,7759
0,0137
4
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
32,8942
32,8815
0,0127
5
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
31,3092
31,2870
0,0222
6
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Отдельные точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
34,8832
34,8531
0,0301
7
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
34,2091
34,1835
0,0256
8
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
34,5432
34,5290
0,0142
9
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
34,1173
34,0960
0,0213
10
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
34,0098
33,9991
0,0107
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
76
1
Около 20
Повреждение покрытия до основного материала
4
2
Повреждение покрытия до 1,2 мкм
нет
3
Повреждение покрытия до 1,5 мкм
нет
4
Повреждение покрытия до 0,8 мкм
нет
5
Повреждение покрытия до 0,9 мкм
нет
6
Повреждение покрытия до 1,4 мкм
нет
7
Повреждение покрытия до 1,7 мкм
нет
8
Повреждение покрытия до 2 мкм
нет
9
Повреждение покрытия до 1,8 мкм
нет
10
Повреждение покрытия до 1,3 мкм
нет
Таблица 4
Стойкость к пылевой эрозии
№ п/п
Потеря массы, мкм
Увеличение стойкости, раз
0
4,11
-
1
0,58
7,08
2
0,34
12,09
3
0,29
14,17
4
0,23
17,87
5
0,18
22,83
6
0,23
17,87
7
0,31
13,26
8
0,34
12,09
9
0,26
15,80
10
0,19
21,63
Таблица 5
Стойкость к капельно-ударной эрозии
№ п/п
Увеличение стойкости, раз
№ п/п
Увеличение стойкости, раз
0
-
6
6,14
1
2,68
7
6,89
2
5,99
8
7,24
3
4,88
9
7,56
4
6,09
10
7,73
5
5,28
-
-
Анализ результатов сравнительных коррозионных испытаний показал, что наилучшие защитные свойства обеспечивает предлагаемый способ нанесения нанослойного покрытия. Образцы, обработанные 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 нанослойного покрытия.
3
3
Стойкость к пылевой эрозии исследовалась по методике ЦИАМ (Технический отчет ЦИАМ "Экспериментальное исследование износостойкости вакуумных ионно-плазменных 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 12…20 раз, а по сравнению с прототипом - в 1,7…3 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 скорости 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 1,8 до 2,9 раз по сравнению с прототипом.
-1
Дополнительно были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из стали 20Х13 на воздухе и в 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 340 МПа.
10
20
2
10
20
2
Повышение, по сравнению с прототипом, стойкости к пылевой эрозии (в 1,7…3 раза), стойкости к капельно-ударной эрозии (от 1,8 до 2,9 раз), повышение коррозионной стойкости, а также предела выносливости у обработанных образцов во всех видах испытаний указывает на то, что это достигается за счет использования следующих существенных признаков заявляемого изобретения: вакуумно-плазменное осаждение металлического подслоя и нанослоев из нитридов, карбидов и/или карбонитридов алюминия или соединения титана, циркония и алюминия с азотом и/или углеродом; проведение после осаждение подслоя и каждого нанослоя его ионно-имплантационной обработки; формирование нанослоев при вращении лопаток вокруг собственной оси и относительно последовательно расположенных катодов; осуществление ионно-имплантационной обработки устройствами для имплантации ионов, расположенными между катодами; проведение ионной имплантации ионами легирующих элементов Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией, в частности, при энергии ионов 0,2-300 кэВ и плотности ионов от 10 до 5·10 ион/см; проведение взаимного экранирования потоков распыляемого материала, при помощи экранов, расположенных между катодами и устройствами имплантируемых ионов; использование при осаждении нанослоев составных катодов, содержащих либо титан и цирконий, либо титан, алюминий и цирконий; обработка перед нанесением металлического подслоя поверхности лопатки имплантацией ионами легирующих элементов при энергии ионов 0,2-300 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см и постимплантационным отжигом, используя в качестве ионов легирующих элементов ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацию, проведение имплантации, постимплантационного отжига и нанесения покрытия в одном вакуумном объеме за один технологический цикл; выбор толщины нанослоев в диапазоне от 0,1 до 20 нанометров; регулирование толщины нанослоя путем изменения при осаждении времени половины оборота детали вокруг собственной оси и средней скорости осаждения осаждаемого компонента по следующим зависимостям:
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i+1
i
i+1
i+1
i+1
t=vτ, где t - толщина нанослоя покрытия, сформированная из i-го компонента, τ - время половины оборота детали вокруг собственной оси, обеспечивающее формирование нанослоя из i-го компонента; v=H/τ - средняя скорость осаждения покрытия из i-го компонента, образующего нанослой покрытия, где H - суммарная толщина слоев, сформированных из i-го компонента в покрытии, нанесенном при вращении детали, τ - время формирования покрытия, при этом в качестве i-х компонентов используют нитриды, карбиды и/или карбонитриды алюминия или соединение титана, циркония и алюминия с азотом и/или углеродом (i=1, 2, 3…20), v/v=H/H, где v - средняя скорость осаждения нанослоя из (i+1)-го компонента, H - суммарная толщина нанослоев, сформированных из (i+1)-го компонента в покрытии, нанесенном при вращении детали; проведение перед нанесением покрытия полирования поверхности пера лопатки электролитно-плазменной обработкой; проведение электролитно-плазменной обработки.
Аналогичные результата 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 наносимых материалов из последовательно расположенных катодов и источников имплантитуемых ионов при формировании нанослойного покрытия позволяет увеличить по сравнению с прототипом стойкость к солевой коррозии, пылевой (до 3 раз), капельной эрозии (до 2,9 раз), что подтверждает заявленный технический результат.
Пример конкретней 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, наносят подслой титана толщиной 0,5 мкм с последующей ионной имплантацией азота 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.
18
2
После этого в том же рабочем пространстве проводят вакуумный постимплантационный отпуск при температуре 400°С в течение 1 ч, Нанесение ионно-плазменного нанослойного покрытия на основе нитрида титана и алюмонитрида титана с последовательным чередованием слоев (-TiAlN-TiN-TiAlN-). Средняя толщина нанослоев колеблется в диапазоне от 10 до 18 нанометров. Суммарная толщина слоев нитрида титана составляет 8 мкм, а алюмонитрида титана - 10,5 мкм, при общей толщине покрытия 19 мкм (0,5 мкм - толщина подслоя титана). После нанесения каждого нанослоя титана производят имплантацию ионов азота по режиму: энергия ионов 300-1000 эВ, доза имплантации ионов 5·10 ион/см. Нанесение указанных слоев производят до доведения толщины нанослойного покрытия до величины 19 мкм. Режима при нанесении покрытия: ток I=140 A, напряжение U=140 В. Используемые материалы катодов - Ti, Al. Режимы при нанесении покрытия: для титана - ток I=120…140 А, напряжение U=140 В, для алюминия - ток I=80…90 А, напряжение U=140 В.