СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ЛОПАТОК МОНОКОЛЕСА ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD FOR HARDENING OF SELF-BALANCING UNICYCLE BLADES FROM TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для упрочнения рабочих лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов.
Известен способ модификации поверхности деталей из сплавов, включающий ионную очистку поверхности пучком ионов азота, ионную имплантацию и стабилизирующий отжиг (Патент РФ №2007501, МПК С23С 14/48, опубл. 1994).
Известен также способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. (Патент РФ №2116378, МПК С23С 14/48, Способ модификации поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана. Опубл. 1998 г.). При этом ионную очистку осуществляют ионами инертных газов аргона или ксенона с энергией 250-350 кВ, плотностью ионного тока 3-10 мА/см2, в течение времени более 3000 с, ионное легирование азотом проводят с энергией 30-50 мкА/см2, в течение 500-2500 с, а отжиг проводят при температуре 450-550°С и давлении остаточных газов 10-3-5⋅10-3 Па в течение 2-2,5 ч.
Основным недостатком аналога способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей из сплавов на основе титана (предела выносливости, циклической долговечности). Это связано с недостаточно рациональными вариантами обработки поверхности деталей из титановых сплавов при использовании методов ионно-имплантационного воздействия. При этом повышение указанных характеристик особенно важно для таких деталей из титановых сплавов, как компрессорные лопатки газотурбинных двигателей (ГТД) и лопатки паровых турбин.
2
2
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. (Патент РФ №2479667. МПК С23С 14/48. Способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов. Опубл.: 20.04.2013 г.) При этом ионную очистку проводят при энергии от 8 до 10 кэВ, плотности тока от 130 мкА/см до 160 мкА/см в течение от 0,3 до 1,0 ч, а ионно-имплантационную обработку поверхности детали проводят при энергии от 25 до 30 кэВ.
Основным недостатком этого способа (Патент РФ №2479667) и вышеперечисленных аналогов (патенты РФ №№2007501 и 2116378) является невозможность равномерной обработки рабочих поверхностей лопаток моноколес (блисков), в связи с возникновением теневых участков, препятствующих проникновению ионов к обрабатываемой поверхности лопаток. Поэтому все вышеперечисленные способы не могут использоваться для упрочнения поверхности лопаток моноколеса, поскольку не могут обеспечить однородной обработки всей их рабочей поверхности.
Задачей настоящего изобретения является создание такого поверхностного слоя материала лопаток моноколеса из сплавов на основе титана, который позволил бы обеспечить их повышенные эксплуатационные характеристики (предела выносливости, циклической долговечности).
Техническим результатом заявляемого способа является повышение выносливости и циклической долговечности лопаток моноколеса компрессора ГТД за счет обеспечения их равномерной ионно-имплантационной обработки.
2
2
Технический результат достигается тем, что в способе упрочнения лопаток моноколеса из титановых сплавов, включающем обработку микрошариками, полирование, ионную очистку и ионно-имплантационную обработку поверхностного слоя лопаток, в отличие от прототипа ионно-имплантационную обработку поверхностного слоя осуществляют ионами азота, при этом поток имплантируемых ионов направляют на одну сторону обрабатываемого колеса и до получения глубины имплантированного слоя от от 1 мкм до 8 мкм осуществляют его вращение одновременно относительно его центра в плоскости, перпендикулярной его продольной оси со скоростью от 4 об/мин до 20 об/мин и относительно оси, образованной пересечением плоскости, проходящей через ось потока имплантируемых ионов и центр моноколеса со скоростью 2 об/мин до 20 об/мин, причем ионную имплантацию лопаток ведут при энергии от 0,4 кэВ до 2,0 кэВ, силе тока от 0,3 мА/см до 2,5 мА/см, при частоте тока от 80 до 90 кГц.
Кроме того, в способе упрочнения лопаток моноколеса из титановых сплавов возможно использование следующих дополнительных приемов: после ионно-имплантационной обработки проводят постимплантационный отжиг; полирование моноколеса с лопатками ведут электрохимическим методом в водном растворе фторосодержащих солей, концентрацией от 4 до 10%, путем приложения к моноколесу с лопатками электрического потенциала величиной от 330 В до 350 В.
Полирование моноколеса с лопатками можно проводить электрохимическим методом в водном растворе фторосодержащих солей, концентрацией от 4 до 10%, путем приложения к моноколесу с лопатками электрического потенциала величиной от 330 В до 350 В. Например, в качестве фторсодержащего электролита можно использовать водный раствор фтористого калия.
Полирование моноколеса с лопатками можно проводить электрохимическим методом в водном растворе фторосодержащих солей, концентрацией от 4 до 10%, путем приложения к моноколесу с лопатками электрического потенциала величиной от 330 В до 350 В. Например, в качестве фторсодержащего электролита можно использовать водный раствор фтористого калия.
Для оценки эксплуатационных свойств лопаток моноколеса были проведены следующие испытания. Образцы из титановых сплавов марок ВТ6, ВТ8, ВТ8 м, ВТ41, ВТ18у, ВТ31, ВТ9, ВТ22, ВТ25у были обработаны ионно-имплантационым методом как по способу-прототипу (патент РФ №2479667. МПК С23С 14/48., опубл. 20.04.2013 г.), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам ионной имплантации, так и по режимам предлагаемого способа.
Испытания на выносливость и циклическую долговечность проводились на образцах - лопатках, вырезанных из моноколеса после его ионно-имплантационной обработки. За неудовлетворительный результат (Н.Р.) принимался результат, не обеспечивающий повышение эксплуатационных свойств лопаток по сравнению с прототипом.
Режимы обработки образцов и нанесения покрытия по предлагаемому способу.
Электрохимическое полирование: электрический потенциал от 330 В до 350 В, 320 В - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 330 В -удовлетворительный результат (У.Р.); 340 В - (У.Р.); 350 В - (У.Р.); 360 В (Н.Р.)
Ионно-имплантационная обработка азотом:
Энергия: 0,3 кэВ (Н.Р.); 0,4 кэВ (У.Р.); 0,8 кэВ (У.Р.); 1,6 кэВ (У.Р.); 2,5 кэВ (У.Р.); 2,7 кэВ (Н.Р.);
2
2
2
2
2
2
сила тока: 0,2 мА/см (Н.Р.); 0,3 мА/см (У.Р.); 0,8 мА/см (У.Р.); 1,6 мА/см (У.Р.); 2,5 мА/см (У.Р.); 2,8 мА/см (Н.Р.);
частота тока: 70 кГц (Н.Р.); 80 кГц (У.Р.); 90 кГц (У.Р.); 100 кГц (Н.Р.).
глубина имплантированного слоя: 0,5 мкм (Н.Р.); 1 мкм (У.Р.); 2 мкм (У.Р.); 4 мкм (У.Р.); 6 мкм (У.Р.); 8 мкм (У.Р.); 10 мкм (Н.Р.);
скорость вращения относительно оси, перпендикулярной его продольной оси с угловой скоростью: 2 об/мин (Н.Р.); 4 об/мин (У.Р.); 8 об/мин (У.Р.); 12 об/мин (У.Р.); 20 об/мин (У.Р.); 22 об/мин (Н.Р.);
скорость вращения относительно оси, образованной пересечением плоскости, проходящей через ось потока имплантируемых ионов и центр моноколеса с угловой скоростью: 2 об/мин (Н.Р.); 4 об/мин (У.Р.); 8 об/мин (У.Р.); 12 об/мин (У.Р.); 20 об/мин (У.Р.); 22 об/мин (Н.Р.);
после ионно-имплантационной обработки проводили постимплантационный отжиг:
- температура: 200°С (Н.Р.); 300°С (У.Р.); 450°С (У.Р.); 500°С (У.Р.); 600°С (У.Р.); 650°С (У.P.); 700°С (Н.Р.);
-2
-3
-3
-3
-3
-3
- давление остаточных газов: 5⋅10 Па (Н.Р.); 1⋅10 Па (У.Р.); 3⋅10 Па (У.Р.); 4⋅10 Па (У.Р.); 5⋅10 Па (У.P.); 7⋅10 Па (Н.Р.);
- время: =1,0-2 ч 0,5 час (Н.Р.); 1,0 час (У.Р.); 1,5 час (У.Р.); 2,0 час (У.Р.); 2,5 час (Н.Р.);
Отжиг проводили в одном вакуумном объеме установки за один технологический цикл.
-1
В результате проведенных испытаний установлено следующее: условный предел выносливости (σ) образцов в исходном состоянии составляет в среднем 460-470 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу - 465-480 МПа, а по предлагаемому способу - 500-510 МПа.
2
2
Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе упрочнения лопаток моноколеса из титановых сплавов следующих приемов: упрочняющую обработку микрошариками, полирование, ионную очистку и ионно-имплантационную обработку лопаток; проведение ионно-имплантационной обработки поверхностного слоя ионами азота при энергии от 0,4 кэВ до 2,0 кэВ, силе тока от 0,3 мА/см до 2,5 мА/см, при частоте тока от 80 до 90 кГц, вращая одновременно моноколесо относительно его центра в плоскости, перпендикулярной его продольной оси и относительно оси, образованной пересечением плоскости, проходящей через ось потока имплантируемых ионов и центр моноколеса, со скоростями вращения, обеспечивающими обработку всей рабочей поверхности лопаток моноколеса; направление потока имплантируемых ионов на обрабатываемое моноколесо только с одной из сторон от обрабатываемого моноколеса; проведение обработки лопаток до получения глубины имплантированного слоя от 1 мкм до 8 мкм; проведение обработки лопаток при скоростях вращения относительно оси, перпендикулярной его продольной оси с угловой скоростью от 4 об/мин до 20 об/мин, а относительно оси, образованной пересечением плоскости, проходящей через ось потока имплантируемых ионов и центр моноколеса с угловой скоростью 2 об/мин до 20 об/мин; проведение после ионно-имплантационной обработки
постимплантационного отжига; проведение полирования моноколеса с лопатками электрохимическим методом в водном растворе фторосодержащих солей, концентрацией от 4 до 10%, путем приложения к моноколесу с лопатками электрического потенциала величиной от 330 В до 350 В, позволяет повысить условный предел выносливости и циклическую долговечность лопаток моноколеса компрессора ГТД за счет обеспечения их равномерной ионно-имплантационной обработки.