СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ЛОПАТКАХ МОНОКОЛЕСА ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ОТ ПЫЛЕОБРАЗНОЙ ЭРОЗИИ

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов от эрозионного разрушения при одновременном повышении их выносливости и циклической долговечности.
Известен способ ионно-плазменного нанесения защитных покрытий на детали турбомашин (патент США №9,765,635. МПК F01D 5/14. Erosion and corrosion resistant protective coatings for turbomachinery. Опубл. 2017 г). Покрытие образуется путем конденсации материала при ионной бомбардировке из металло-газообразного плазменного потока. Причем кинетическая энергия ионов осажденных металлов превышает 5 эВ.
Известен также 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 испаряемого материала, идущий от катода к подложке, экранируют, очистку проводят ионами инертного газа, после очистки экраны отводят и покрытие наносят в несколько этапов до получения требуемой толщины (Патент РФ 2192501, С23С 14/34, опубл. 10.11.2002).
Известен также способ нанесения ионно-плазменных покрытий 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 С23С 14/16, 30/00, С22С 19/05, 21/04, опубл. 20.04.2001).
-1
-1
Известен также способ нанесения ионно-плазменных покрытий на лопатки турбин, из титановых сплавов (патент РФ №2234556 МПК С23С 14/06, 2004.08.20), включающий последовательное упрочнение поверхности изделия путем ионной имплантации азота и проведение стабилизирующего отжига, и проведение, после ионной имплантации ионно-плазменное нанесение покрытия нитрида титана при токе разряда от 90 до 110 А, напряжении разряда от 50 до 60 В и давлении азота от 10 до 4⋅10Па, при этом ионную имплантацию, нанесение покрытия и стабилизирующий отжиг осуществляют в одном вакуумном объеме.
Основным недостатком этих способов является недостаточно высокая эрозионной стойкости поверхности лопатки. Кроме того, при увеличении толщины покрытия (или каждого из слоев покрытия) происходит снижение адгезионной и усталостной прочности деталей с покрытиями, что ухудшает их ресурс и надежность.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ нанесения эрозионно-стойких покрытий на лопатки блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов, включающий упрочняющую обработку пера лопатки с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия в виде заданного количества пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом (Патент РФ 2226227, МПК С23С 14/48, опубл. 27.03.2004).
Основным недостатком аналогов и прототипа является невозможность их использования для ионно-имплантационной обработки и нанесения покрытий на лопатки моноколеса в результате образования «мертвых» зон, возникающих из-за затенения лопатками моноколеса друг друга, особенно в случае моноколес с широкохордными лопатками, что не обеспечивает для лопаток моноколес защиту от эрозии при одновременном повышении их выносливости и циклической прочности.
Задачей настоящего изобретения является создание такого многослойного покрытия, которое было бы способно эффективно защищать лопатки моноколес ГТД из титановых сплавов от эрозионного износа в условиях воздействия газовых потоков, содержащих абразивные частицы при одновременном обеспечении их высокой выносливости и циклической прочности.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение стойкости лопаток моноколеса компрессора ГТД к эрозионному разрушению при одновременном обеспечении их высокой выносливости и циклической прочности за счет равномерной ионно-имплантационной обработки поверхности поверхности лопатки и равномерного нанесения на них эрозионно-стойкого покрытия.
17
-2
17
-2
Технический результат достигается за счет того, что в способе получения многослойного защитного покрытия на лопатках моноколеса из титанового сплава от пыле абразивной эрозии, включающем упрочняющую и ионно-имплантационную обработку материала поверхностного слоя лопаток с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом, в отличие от прототипа, в процессе нанесения покрытия на лопатки моноколесо вращают одновременно относительно его продольной и поперечной осей с одновременным приданием моноколесу колебательных движений относительно его поперечной оси с обеспечением ионно-имплантационной обработки всей поверхности лопаток и нанесения покрытия на всю поверхность лопаток моноколеса, причем ионно-имплантационную обработку лопаток моноколеса осуществляют ионами азота энергией от 20 кэВ до 35 кэВ и дозой от 1,6⋅10 см до 2,0⋅10 см, причем в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом используют ванадий, при этом нанесение титана и ванадия на лопатки моноколеса осуществляют одновременно с электродугового испарителя для титана и расположенного напротив него электродугового испарителя для ванадия, причем слой титана с ванадием наносят толщиной от 0,15 мкм до 0,25 мкм, а слой соединений титана с ванадием и азотом наносят толщиной от 1,2 мкм до 2,3 мкм при общей толщине многослойного покрытия от 7,0 мкм до 11,0 мкм. Кроме того возможно также осуществлять нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют в режиме ассистирования ионами аргона.
Для оценки эрозионной стойкости лопаток блиска были проведены следующие испытания. На образцы из титановых сплавов марок ВТ6, ВТ8, ВТ8 м, ВТ41, ВТ18у, ВТ31, ВТ9, ВТ22, ВТ25у были нанесены покрытия как по способу-прототипу (патент РФ 2226227, МПК С23С 14/48, опубл. 27.03.2004), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам нанесения, так и покрытия по предлагаемому способу.
Режимы нанесения покрытия по предлагаемому способу. Нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляли: с двух, одновременно работающих, протяженных электродуговых испарителей одного для ванадия, другого для титана. Расположение испарителей - периферийное, на цилиндрической стенке камеры установки, напротив друг друга, в зоне расположения лопаток моноколеса. Размеры испарителей 300×800 мм. Моноколесо, при ионно-имплантационной обработке и нанесения покрытия вращалось одновременно вокруг собственной продольной оси и поперечной оси, совпадающей с продольной, вертикально расположенной осью цилиндрической камеры установки, с одновременным совершением колебательных движений. Скорость вращения блиска относительно собственной оси составляла от 6 до 12 об/мин. Колебательные движения составляли по 45° по обе стороны от вертикали. Нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляли в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом осуществляют в режиме ассистирования ионами азота. Ионно-имплантационную обработку проводили ионами азота. Для ионно-имплантационной обработки использовали протяженный генератор газовой плазмы, выполненный с возможностью обеспечения работы с азотом и имеющим размеры выходной апертуры 100×600 мм. В качестве упрочняющей обработки лопаток применялась обработка микрошариками.
Толщина слоя титана с ванадием: 0,1 мкм - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 0,15 мкм - удовлетворительный результат (У.Р.); 0,25 мкм (У.Р.); 0,35 мкм (Н.Р.).
Толщина слоя соединений титана с ванадия и азотом: 0,9 мкм (Н.Р.); 1,2 мкм (У.Р.); 1,5 мкм (У.Р.); 2,3 мкм (У.Р.); 2,6 мкм (Н.Р.).
Общая толщина покрытия: 5,5 мкм (Н.Р.); 7,0 мкм (У.Р.); 9,0 мкм (У.Р.); 11,0 мкм (У.Р.); 13,0 мкм (Н.Р.).
Толщина покрытия, нанесенного по предлагаемому способу составляла от 7,0 мкм до 11,0 мкм, покрытия-прототипа от 0 мкм (в затененных зонах) до 11,0 мкм.
Ионно-имплантационная обработка азотом:
энергия - 18 кэВ (Н.Р.); 20 кэВ (У.Р.); 22 кэВ (У.Р.); 23 кэВ (У.Р.); 25 кэВ (У.Р.); 35 кэВ (У.Р.); 40 кэВ (Н.Р.);
17
-2
17
-2
17
-2
17
-2
17
-2
доза - 1,4⋅10 см(Н.Р.); 1,6⋅10 см(У.Р.); 1,8⋅10 см(У.Р.); 2,0⋅10 см (У.Р.); 2.4⋅10 см (Н.Р.);
3
3
Эрозионная стойкость поверхности 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 р=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. Результаты испытания показали, что эрозионная стойкость покрытий, полученных по предлагаемому способу, увеличилась по сравнению с покрытием-прототипом приблизительно в 5…6 раз.
Кроме того, были проведены испытания на выносливость и циклическую долговечность образцов - лопаток, вырезанных из моноколеса после его ионно-плазменной обработки и нанесения покрытий. Испытывались образцы из следующих марок титановых сплавов (ВТ6, ВТ8, ВТ8 м, ВТ41, ВТ18у, ВТ31, ВТ9, ВТ22, ВТ25у) на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости (-1) образцов в исходном состоянии (без покрытия) составляет 430-440 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу - 430-445 МПа, а по предлагаемому способу - 460-480 МПа.
17
-2
17
-2
Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе получения многослойного защитного покрытия на лопатках моноколеса из титанового сплава от пылеабразивной эрозии следующих приемов: упрочняющую и ионно-имплантационную обработку материала поверхностного слоя лопаток моноколеса с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом; при нанесении покрытия на лопатки вращение моноколеса одновременно относительно его продольной и поперечной осей с одновременным приданием моноколесу колебательных движений относительно его поперечной оси, обеспечивающих ионно-имплантационную обработку всей поверхности лопаток и нанесение покрытия на всю поверхность лопаток моноколеса; ионно-имплантационную обработку лопаток моноколеса ионами азота при энергии от 20 кэВ до 35 кэВ, дозой от 1,6⋅10 см до 2,0⋅10 см; использование в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом ванадия; нанесение титана и ванадия на лопатки моноколеса одновременно с электродугового испарителя для титана и расположенного напротив него электродугового испарителя для ванадия; нанесение слоя титана с ванадием толщиной от 0,15 мкм до 0,25 мкм; нанесение слоя соединений титана с ванадием и азотом толщиной от 1,2 мкм до 2,3 мкм; обеспечение общей толщины многослойного покрытия от 7,0 мкм до 11,0 мкм, позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения - повысить стойкость лопаток моноколеса компрессора ГТД к эрозионному разрушению при одновременном обеспечении их высокой выносливости и циклической прочности за счет равномерной ионно-имплантационной обработки поверхности поверхности лопатки и равномерного нанесения на них эрозионно-стойкого покрытия.