РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА

Полезная модель относится к лопаткам компрессоров ГТД, ГТУ и паровых турбин из титановых сплавов, в частности к лопаткам, изготовленным из нанокристаллических материалов.
Известно, что лопатки турбомашин работают в условиях воздействия знакопеременных нагрузок, которые могут приводить к возникновению трещин и разрушению лопаток. Эксплуатационную надежность лопаток можно обеспечить путем повышения усталостной прочности материала, из которого выполнена лопатка. Создание нанокристаллической структуры в различных сплавах, а следовательно, и в деталях, изготовленных из них, позволяет в несколько раз повысить прочностные свойства по сравнению с обычными сплавами, например, со сплавами, имеющими размеры зерен величиной более 1 мкм. Так время до разрушения образцов при испытаниях на прочность повышается в 2-3 раза, а усталостная долговечность на 1-2 порядка.
Однако, формирование высокопрочных лопаток связано со значительными трудностями, во-первых, из-за сложности их конструкции, поскольку лопатки могут иметь развитые бандажные полки на торцах пера, либо быть соединенными этими полками в моноблоки из нескольких лопаток, и во-вторых, из-за сложности изготовления лопатки из композиционных материалов, элементами композиции которых являются титановые сплавы с различной структурой.
Известны титановые лопатки, полученные путем деформирования заготовки в штампе (А.С. СССР №633682, В23К 3/00, 1974). Недостатком таких лопаток является низкие эксплуатационные свойства и нетехнологичность, поскольку такая лопатка имеет дефекты из-за неоднородности деформации, особенно в лопатках сложной формы.
Известны титановые лопатки турбомашин, изготовленные путем получения литой заготовки с последующей ее деформацией в штампе (патент РФ №2019359, В21К 3/04 1994.09.15) - прототип.
Недостатком прототипа также являются низкие эксплуатационные свойства, поскольку структура материала детали не является оптимальной для условий эксплуатации и конструктивных особенностей лопатки.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение эксплуатационных свойств лопаток из титановых сплавов за счет использования нанокристаллических структур.
Технический результат достигается тем, что рабочая лопатка турбомашины из титанового сплава, содержащая перо с входной и выходной кромками и хвостовик, в отличие от прототипа, имеет поверхностный слой материала пера с нанокристаллической структурой, размером зерен менее 1 мкм;
Лопатка может характеризоваться тем, что толщина нанокристаллического поверхностностного слоя лопатки составляет 0,01-2,5% от толщины пера лопатки в том же поперечном сечении.
Лопатка может характеризоваться тем, что нанокристаллическая структура материала поверхностного слоя имеет размеры кристаллов в диапазоне от 1 до 700 нм.
Лопатка может характеризоваться тем, что основной материал пера лопатки имеет нанокристаллическую структуру, размером зерен менее 1 мкм.
Лопатка может характеризоваться тем, что основной материал замка лопатки имеет нанокристаллическую структуру, размером зерен менее 1 мкм.
вых
зер
зер
вых
зер
Лопатка может характеризоваться тем, что материал пера лопатки имеет нанокристаллическую структуру, размером зерен, определяемых из соотношения R≥50 d, но при d, менее 1 мкм, где R - радиус выходной кромки пера лопатки, d - размер зерна материала пера лопатки.
h
вых
h
вых
Лопатка может характеризоваться тем, что ширина пера лопатки определяется из соотношения а≥20 R, где a - ширина пера лопатки; R - радиус выходной кромки пера лопатки.
h
h
Лопатка может характеризоваться тем, что высота пера лопатки определяется из соотношения b≥а, где b - высота пера лопатки; а - ширина пера лопатки.
Лопатка может характеризоваться тем, что выполнена с бандажной полкой из титанового сплава, имеющего нанокристаллическую структуру, размером зерен менее 1 мкм.
10
20
2
Лопатка может характеризоваться тем, что лопатка имеет модифицированный поверхностный слой, полученный имплантацией ионов легирующих элементов при энергии ионов 0,2-300 кэВ и дозе имплантации ионов 10 до 5·10 ион/см.
Лопатка может характеризоваться тем, что в качестве ионов для имплантации используют ионы Cr, Y, Yb, C, B, Zr, N, La, Ti или их комбинацию.
Лопатка может характеризоваться тем, что перо лопатки имеет защитное покрытие.
Лопатка может характеризоваться тем, что в качестве материала покрытия используют нитриды Me-N, карбиды Ме-С и карбо-нитриды Me-NC, где Me-Ti, Zr, Al, W, Mo, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiAlZrMo или их сочетание, N - азот, С - углерод.
Лопатка может характеризоваться тем, что используют многослойное покрытие из чередующихся слоев Me и соединений металлов с азотом Ме-N, углеродом Ме-С или углеродом и азотом - Me-NC, где Me-Ti, Zr, Al, W, Mo, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiAlZrMo или их сочетание, N - азот, С - углерод.
Mе
Ме-N
Ме-С
Ме-NC
Ме
Ме-N
Ме-С
Ме-NC
Лопатка может характеризоваться тем, что толщины слоев многослойного покрытия выбирают из диапазонов: δ=0,20…10 мкм, δ=δ=δ=0,10…6 мкм, где δ - толщина слоя металла, δ (δ, δ) - толщина слоя нитрида (карбида, карбонитрида) металла.
Лопатка может характеризоваться тем, что используют покрытия, полученные вакуумными ионно-плазменными и/или электронно-лучевыми методами.
Принципиальными отличительными признаками предлагаемой лопатки от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, является изготовление лопатки из наноматериала, при компоновке различных структур материала в таких частях объема детали, как: поверхностный слой материала детали, поверхностный слой материала пера, сердцевина пера, бандажная полка, хвостовик. В качестве структур для компоновки используют нано- и обычные титановые сплавы, легированные поверхностные слои, покрытия различного состава и конструкции. В результате этого лопатка турбомашины приобретает новые качества композиционной лопатки, оставаясь при этом лопаткой из титанового сплава.
Для изготовления лопатки турбомашины, изготовленной из обычного титанового сплава с поверхностным слоем, выполненным из наноструктурированного титанового сплава, можно использовать один из известных методов получения титановых лопаток (например, патент РФ №2019359, В21К 3/04 1994.09.15) с последующим изменением структуры поверхностного слоя на наноструктурный, методами интенсивной поверхностной деформации в сочетании с термообработкой, либо нанесением слоя материала, идентичного основному материалу детали и состоящего из порошковых наночастиц и др.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами (фиг.1-3). Фиг.1-3 содержат: перо 1, сердцевина 2, поверхностный слой 3, хвостовик 4, антивибрационные полки 5.
На фиг.1 представлена конструкция лопатки, перо которой состоит из двух основных композиционных элементов: сердцевина 2 пера 1 и хвостовик 4 выполнены из титанового сплава с обычной структурой (первый элемент композиции), а поверхностный слой 3 пера 1 - из наноструктурного титанового сплава (второй элемент композиции).
зер,
зер,
зер
На фиг.2 представлена лопатка, выполненная из трех композиционных элементов структуры: первый элемент - сердцевина 2 пера 1 выполнена из титанового наноструктурного сплава с размером зерен d=500…800 нм, второй элемент - поверхностный слой 3 пера 1 - из титанового наноструктурного сплава с размером зерен d=100…300 нм, третий элемент - хвостовик 4 из титанового сплава размером зерен d,>1 мкм.
зep,
зep,
зep,
зep,
Ме
Ме-N
Ме
Me-N
На фиг.3 представлена лопатка, выполненная из композиционных элементов структуры: первый - сердцевина 2 пера 1 выполнена из титанового наноструктурного сплава с размером зерен d=500…800 нм, второй элемент - поверхностный слой 3 пера 1 - из титанового наноструктурного сплава имеющего размер зерен d=100…300 нм, третий элемент - хвостовик 4 из титанового наноструктурного сплава с размером зерен d=700…900 нм, четвертый элемент - антивибрационная полка 5, имеющая структуру материала размером зерен d=800…900 нм, пятый элемент-защитное многослойное покрытие системы нитриды-металл (…-TiN-Ti-TiN-…), с толщиной слоев: δ=0,6 мкм, δ=0,8 мкм. (где δ - толщина слоя титана, δ - толщина слоя нитрида титана), с общей толщиной 12 мкм.
Заявляемая лопатка турбомашины из титанового сплава может быть выполнена по различным вариантам, представленным в формуле полезной модели. В данных иллюстрациях (фиг.1-3), приведенных в качестве примеров компоновки лопатки, представлены лишь несколько основных вариантов воплощений представляемого изобретения.
-1
4
-1
Для изготовления лопаток по прототипу, использовались следующие режимы. Заготовку из сплава ВТЗ-1 (а также ВТ5, ВТ6, ВТ9) весом, соответствующим весу получаемой детали, покрывают эмалью ЭВТ 24, сушат и помещают в электрическую печь К 800, нагретую до 930°С. Время нагрева в печи=35 мин. Далее заготовку вынимают из печи и переносят в нагретый изотермической установкой до Т=930°С штамп, установленный на гидравлическом прессе усилием 630 т.с. Скорость деформации =10…10- с. После деформации штамповку охлаждают в термостате, обеспечивающем скорость охлаждения v=10°С/с.
Способы (режимы) получения лопаток согласно предлагаемого технического решения являются "ноу-хау". Для изготовления лопаток в качестве исходного материала использовалась та же группа сплавов: ВТЗ-1, ВТ5, ВТ6, ВТ9.
По предлагаемому техническому решению были получены следующие три варианта лопаток.
Первый вариант лопатки: композиционное перо, состоящее из сердцевины, выполненной из обычного титанового сплава и поверхностного слоя материала пера, выполненного из наноструктурированного титанового сплава того же состава, а также хвостовика лопатки выполненного из титанового сплава с обычной структурой.
зep,
зер,
зер,
>
Второй вариант лопатки: композиционное перо, состоящее из сердцевины пера, выполненной из наноструктурированного титанового сплава (d=500…800) и поверхностного слоя материала пера, выполненного из наноструктурированного титанового сплава (d=100…300 нм), а также хвостовика лопатки выполненного из титанового сплава с обычной Структурой (d1 мкм).
зер,
зep,
зеp,
зер,
Третий вариант вариант лопатки: композиционное перо, состоящее из сердцевины пера, выполненной из наноструктурированного титанового сплава (d=500…800) и поверхностного слоя пера, выполненного из наноструктурированного титанового сплава (d=100…300 нм). Хвостовик лопатки выполненн из наноструктурированного титанового сплава (d=700…900 нм), а бандажная полка, выполнена из наноструктурированного титанового сплава (d=800…900 нм). Кроме того, третий вариант композиционной лопатки имеет защитное многослойное покрытие системы нитриды-металл.
-1
Для сравнительной оценки эксплуатационных свойств лопатки-прототипа и лопатки по предлагаемому техническому решению были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность деталей в условиях эксплуатационных температур (при 300°С-450°С) на воздухе. В результате эксперимента было установлено следующее: условный предел выносливости (σ) лопаток в среднем составляет:
А. Лопатки-прототипы:
1. ВТЗ-1 - 610-640 МПа;
2. ВТ5 - 520-550 МПа;
3. ВТ6 - 700-720 МПа;
4. ВТ9 - 820-835 МПа;
В. Лопатки, выполненные по первому варианту предлагаемого технического решения:
1. ВТЗ-1 - 680-720 МПа;
2. ВТ5 - 660-670 МПа;
3. ВТ6 - 770-785 МПа;
4. ВТ9 - 885-910 МПа;
С. Лопатки, выполненные по второму варианту предлагаемого технического решения:
1. ВТЗ-1 - 685-730 МПа;
2. ВТ5 - 670-680 МПа;
3. ВТ6 - 785-790 МПа;
4. ВТ9 - 890-920 МПа;
D. Лопатки, выполненные по третьему варианту предлагаемого технического решения:
1. ВТЗ-1 - 695-730 МПа;
2. ВТ5 - 680-690 МПа;
3. ВТ6 - 795-800 МПа;
4. ВТ9 - 895-930 МПа;
-1
После имплантации ионов Cr, Y, Yb, C, B, Zr лопатки, выполненные по третьему варианту имели в среднем условный предел выносливости (σ) 940-960 МПа.
Ме
Ме-N
Me-С
Ме-NC
Ме
Ме-N
Ме-С
Me-NC
Повышение предела выносливости у лопаток, выполненные по предлагаемому техническому решению указывает на то, что при применении одного из следующих вариантов проведения дополнительной упрочняющей обработки лопатки и нанесения покрытия: ионная имплантация ионами одного из следующей группы химических элементов: Cr, Y, Yb, C, B, Zr, N, La, Ti или их комбинации; постимплантационный термообработки; нанесение покрытия (нитридные нитриды Me-N, карбиды Ме-С и карбо-нитриды Me-NC, где Me-Ti, Zr, Al, W, Mo, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiAlZrMo или их сочетание, N - азот, С - углерод; многослойное покрытие из чередующихся слоев Me и соединений металлов с азотом - Me-N, где Me-Ti, Zr, TiZr, а N - азот. Толщины слоев многослойного покрытия вдиапазоне: δ=0,20…10 мкм, δ=δ=δ=0,10…6 мкм, где δ - толщина слоя металла, δ (δ, δ) - толщина слоя нитрида (карбида, карбонитрида) металла.) полученного, либо ионно-плазменным методом, либо электронно-лучевым испарением в вакууме - позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения - произвести повышение эксплуатационных свойств лопаток из титановых сплавов за счет использования нанокристаллических структур.
-1
Таким образом, проведенные исследования показали, что лопатки из титановых сплавов по предлагаемому техническому решению позволяет увеличить по сравнению с прототипом условный предел выносливости (σ) приблизительно, с 830 МПа до 940 МПа, что подтверждает заявленный технический результат (повышение эксплуатационных свойств лопаток из титановых сплавов).