УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ДЕТАЛИ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к области машиностроении, в частности к способам нанесения функциональных покрытий хрома и алюминия путем газофазного осаждения, и может быть использована в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты лопаток газовых турбин от высокотемпературной газовой коррозии внутренних полостей охлаждаемых рабочих лопаток турбин.
Современный уровень рабочих температур и мощностей газотурбинных двигателей (ГТД) в значительной степени определяется использованием охлаждаемых лопаток турбин, имеющих сложную конфигурацию внутренней полости с охлаждаемыми каналами, которые соединяются с воздухоподводящими каналами газовым трактом двигателя с системой перфорированных отверстий.
При такой очень сложной конструкции лопаток защита внутренних и внешних трактовых поверхностей от высокотемпературной газовой коррозии является исключительно сложной задачей.
Известно, что в современных перспективных двигателях пятого поколения лопатки турбин должны работать в течение заданного ресурса при температуре газа перед турбиною 1850-1900°К и более, что, безусловно, невозможно без надежной их зашиты от газовой коррозии [Ю.Елисеев. Перспективные технологии производства лопаток ГТД. Двигатель, 2001, №5 (17), с.4]. Практика показала, что наиболее эффективным способом обеспечения высокой долговечности лопаток газовых турбин для используемых конструкционных материалов является использование защитных покрытий.
Известно устройство для нанесения покрытия на детали газовой турбины, содержащее реакционную камеру, в которой на детали наносят покрытие, и источник металла, расположенный также в реакционной камере [см. описание к патентной заявке США № US 2010/0098971, Покрытие для деталей газовой турбины, способ и устройство для нанесения покрытия, М.кл. B32B 15/01, опубл. 22.04.2010 г.], при этом детали, на которые наносят покрытие, и источники металла расположены в камере друг против друга на параллельных уровнях так, что расстояние между деталями, которые покрывают, и источниками металла находится в пределах 10-150 мм. Это расстояние может быть и в пределах 20-150 мм. Несколько деталей, которые покрывают, соответственно расположены между двумя соответствующими уровнями источников, расположенных один над другим, и при этом десять уровней источников могут быть расположены в реакционной камере. Реакционная камера имеет осесимметричную конфигурацию с диаметром от 200 до 1500 мм и высотой более 1500 мм. Объемная плотность источника в отношении к объему реакционной камеры составляет от 2% до 5%. В устройстве, по крайней мере, одно галогеновое соединение может быть направлено к источнику через подающую линию.
Описанное выше устройство, по мнению заявителей, эффективно, а также экономично при нанесении покрытия.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является устройство для нанесения покрытия, состоящее из реакционной камеры, выполненной с возможностью вакуумирования, в которой установлено средство для размещения обрабатываемых деталей, средство для размещения источников материала покрытия [см. Богуслаев А.В., Мурашко В.В., Газоциркуляционное покрытие лопаток турбины газотурбинных двигателей, - Технология производства и ремонта. Вестник двигателестроения, №4/2006, стр.73-74]. Устройство выполнено с возможностью создания необходимого температурного поля, содержит внутренний защитный экран, средство для выравнивания температурного поля в реакционной камере и средство, обеспечивающее циркуляцию газовых компонентов внутри защитного экрана.
Описанное выше устройство обеспечивает возможность получения покрытия на лопатках газовой турбины при температурах от 900 до 1000°С и является единственным в настоящее время, используемым в условиях серийного производства в Украине и России.
Однако размещение в одной камере покрываемых деталей и источников галогеновых газ-реагентов делает процесс нанесения покрытия трудно управляемым, поскольку сложно проконтролировать расход материала, являющегося источником газ-реагента. Особенно это сложно делать вследствие его агрессивности по отношению к материалу устройства. Использование двухкамерного комплекса, постоянно атакуемого агрессивными средами, увеличивает эксплуатационные расходы и, соответственно, стоимость наносимых покрытий, а, кроме того, и покрытия, полученные в этих условиях, не всегда обеспечивают необходимую стойкость рабочих лопаток турбин при эксплуатации, особенно, на лопатках турбин современных перспективных авиадвигателей с существенно повышенными характеристиками.
Поэтому целью заявляемого технического решения является повышение качества путем улучшения характеристик покрытия в отношении прочности и сцепления с материалом турбинной лопатки при повышенных параметрах эксплуатации газотурбинного двигателя.
В основу заявляемого технического решения поставлена задача улучшения устройства для нанесения покрытия на детали газовой турбины, в котором, вследствие установки реакционной камеры внутри вакуумной камеры, разделения ее вакуумноплотной перегородкой на предварительную зону и зону осаждения, имеющие разные температурные поля, выполнения средств для размещения источников материала покрытия как нагреваемые контейнеры, установки их вне вакуумной камеры и соединение их с входом в реакционную камеру в зону с более низкой температурой с помощью прогреваемой транспортной системы и прогреваемых клапанов, обеспечивается новый технический результат.
Новый технический результат проявляется в более высокой адгезионной способности слоя хрома, на который последовательно осаждают слой алюминия. Отсутствие нежелательных абсорбированных атомов и молекул, например, из воздуха позволяет осаждать слой алюминия на идеально очищенные поверхности, а такие поверхности способны образовывать новые сильные межатомные связи. Это исключает в дальнейшем отслаивание покрытия в целом при дальнейшей обработке лопатки турбины в вакууме.
Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для нанесения покрытия на детали газовой турбины, содержащем реакционную камеру, в которой установлено средство для размещения обрабатываемых деталей, средство для создания необходимого температурного поля и средство для размещения материала покрытия, согласно полезной модели, реакционная камера, установлена внутри вакуумной камеры, разделена теплоизолирующей вакуумноплотной перегородкой на предварительную зону и зону осаждения, имеющие разные температурные поля, при этом средства для размещения источников материала покрытия выполнены как нагреваемые контейнеры, установленные вне вакуумной камеры и соединенные с входом в реакционную камеру в зону с более низкой температурой с помощью прогреваемой транспортной системы и прогреваемых клапанов.
Как видно из изложения сущности заявляемого технического решения, оно отличается от прототипа и, следовательно, является новым.
6
3
3
Наиболее эффективно использование предлагаемого технического решения в совокупности с разработанным авторами способом нанесения двухкомпонентных хром-алюминиевых покрытий на внутренние полости охлаждаемых рабочих лопаток газовых турбин, включающий последовательное осаждение слоев хрома и алюминия с последующим высокотемпературным отжигом в вакууме, в котором осаждение из газовой фазы слоев хрома выполняют при термическом разложении гексакарбонила хрома Cr(CO) и алюминия при термическом разложении триметилалюминия Al(CH), при этом предварительно формируют три температурные зоны, соответствующие конструкции предлагаемого устройства, вначале для осаждения хрома, а затем для осаждения алюминия.
-2
6
3
3
Осаждение слоев хрома и алюминия выполняют при давлении в вакуумной камере 1,0…1,2.10 мм рт.ст. При осаждении хрома гексакарбонил хрома Cr(CO) нагревают до температуры 110…120°C, в промежуточной зоне обеспечивают эту же температуру, а в зоне осаждения устанавливают температуру 400-450°C. Слой хрома формируют в течение не менее 2-3 часов. При осаждении алюминия триметилалюминия Al(CH)нагревают до температуры 100-110°C, в промежуточной зоне обеспечивают эту же температуру, а в зоне осаждения устанавливают температуру 300-350°C. Слой алюминия формируют в течение не менее 5-6 часов.
Предлагаемое устройство принципиально отличается от известных созданием и использованием высокочистых поверхностей, на которые происходит осаждение комплекса покрывающих слоев, обеспечивающих адгезионные и диффузионные процессы в условиях максимально эффективного проявления этих свойств. Кроме того, и сравнении с прототипом устройство способно использовать соединения, которые являются нетоксичными и менее коррозионноактивными, что существенно облегчает технологическую работу с ними. При этом коррозионная нагрузка на оборудование существенно уменьшается, благодаря чему резко снижаются требования к конструкционным материалам оборудования. Процесс осаждения покрытий проводится при существенно более низких температурах, является хорошо контролируемым и обеспечивает высокую повторяемость технологических процессов. Предлагаемое устройство обеспечивают широкие возможности в целенаправленном изменении свойств покрытия с привязкой к обрабатываемому материалу и условиям его обработки, что обеспечивает более высокое качество покрытий. Благодаря конструкции технологического устройства покрытия хрома и алюминия наносятся в одной и той же вакуумной камере в едином технологическом цикле, что значительно сокращает длительность процесса и существенно повышает экономические показатели получения качественного конечного продукта. Наличие вакуумно и термически разделенных верхней и нижней камер в технологическом устройстве дает возможность раздельного нанесения покрытий на внутренние и внешние поверхности рабочих лопаток, что важно для последующего нанесения качественных термозащитных покрытий.
Решение промышленно применимо, поскольку реализуется в технологическом процессе формирования двухкомпонентных хром-алюминиевых покрытий на поверхностях внутренних каналов охлаждаемых рабочих турбинных лопаток.
На фиг. показана схема устройства для реализации предлагаемого способа.
Устройство для нанесения металлических покрытий содержит реакционную камеру 1, установленную в вакуумной камере 2. Реакционная камера 1 разделена на две зоны 3 и 4 теплоизоляционной герметичной перегородкой 5, выполненной с возможностью установки на ней лопаток газовой турбины. Замковая часть лопатки 6, содержащая входные отверстия 7, находится в нижней зоне реакционной камеры 3, а рабочая часть 8 лопатки, на внутренние перфорированные полости которой наносят покрытия, установлена в верхней зоне 4 реакционной камеры. Нижняя зона 3 реакционной камеры через прогреваемые транспортные системы 9, 10 и клапана 11, 12 соединена с прогреваемыми контейнерами 13 и 14, в которых располагают металлоорганические реагенты. С вакуумной камерой 2 зона 3 соединена байпасной линией 15 с клапаном 16. В верхней зоне реакционной камеры 4 установлена нагревательная система 17 и формирующие температурное поле экраны 18.
6
3
3
6
3
3
Устройство работает следующим образом. При установлении соответствующих давлений и температурных полей в зонах 3, 4 реакционной камеры 1 и соответствующем нагреве транспортных систем 9, 10 и контейнеров 13, 14 в последних происходит испарение либо гексакарбонила хрома Cr(CO), либо триметилалюминия Al(CH), и их транспорт из зон с менее высокой температурой 3, 9, 10, 13, 14, в зону 4 реакционной камеры 1 с более высокой температурой. При температурах 400-450°C, 300-350°C происходит распад соответственно гексакарбонила хрома Cr(CO) и триметилалюминия Al(CH), с образованием слоев хрома и алюминия.
6
3
3
1
-4
-4
-4
Устройство позволяет реализовать способ нанесения двух- компонентных хром-алюминиевых покрытий на внутренние полости охлаждаемых рабочих лопаток газовых турбин Лопатки газотурбинного двигателя размещают в реакционной камере. Загружают контейнеры гексакарбонилом хрома Cr(CO) и триметилалюминия Al(CH), понижают в реакционной камере давление до P=1,0…1,2·10 мм рт.ст. После понижения давления в устройстве до заданного значения начинают плавно поднимать температуру в трех зонах устройства. В результате прогрева устанавливают при осаждении хрома в реакционной камере в зоне осаждения температуру 400-450°C, в других зонах и системах устройства устанавливают температуру не ниже 110-120°C. В течение 2-3 часов в устройстве поддерживают заданные температуры и на внутренних поверхностях лопатки образуется слой хрома Cr толщиной 5-7 мкм. После завершения осаждения хрома снова в устройстве устанавливают давление до Р=1,0…1,1.10 мм рт.ст., в реакционной зоне устанавливают температуру 300-350°C, а в других зонах устройства устанавливают температуру 100-110°C. В течение 5-6 часов на внутренних поверхностях лопатки на слое хрома образуется слой алюминия толщиной 20-25 мкм. После завершения формирования слоя алюминия снова в вакуумной камере понижают до Р=1,0…1,1.10 мм рт.ст.
-1
-3
Завершается процесс формирования хромо-алюминиевого покрытия отжигом лопатки газотурбинного двигателя при температуре 1050±5°C, остаточном давлении 1,3(10…10) Па в течение 2-5 часов.
В таблице, приведенной ниже, показаны результаты реализации способа в описанном выше устройстве.
Соединение
T<sub>1 </sub>- т-ра нагрева, °C
T<sub>1 </sub>- т-ра распада, °C
τ - время, час
δ - тол-на, мкм
∑δ, мкм
Качество
Cr(CO)<sub>6</sub>
100
400
2
5
Сцепление слоя Cr с основой хорошее
Пример 1
Al(CH<sub>3</sub>)<sub>3</sub>
100
300
5
20
25
Сцепление слоя Al со слоем Cr хорошее
Cr(CO)<sub>6</sub>
100
450
2
5
25
Сцепление слоя Cr с основой хорошее
Пример 2
Al(CH<sub>3</sub>)<sub>3</sub>
100
350
5
20
Сцепление слоя Al со слоем Cr хорошее
Cr(CO)<sub>6</sub>
110
400
3
7
32
Сцепление слоя Cr с основой хорошее
Пример 3
Al(CH<sub>3</sub>)<sub>3</sub>
110
300
6
25
Сцепление слоя Al со слоем Cr хорошее
Cr(CO)<sub>6</sub>
110
450
3
7
32
Сцепление слоя Cr с основой хорошее
Пpимep 4
Al(CH<sub>3</sub>)<sub>3</sub>
110
350
6
25
Сцепление слоя Al со слоем Cr хорошее
Как видно из описания способа и устройства для его осуществления, предлагаемые технические решения позволяют повысить качество путем улучшения характеристик покрытия в отношении прочности и сцепления с материалом турбинной лопатки при повышенных параметрах эксплуатации газотурбинного двигателя. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет в большей степени контролировать процессы, идущие в реакционной камере, что снижает в целом затраты на ее эксплуатацию.