ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА С УПРОЧНЕННЫМ ПОВЕРХНОСТНЫМ СЛОЕМ,СОДЕРЖАЩИМ ИТТРИЙ

Полезная модель относится к области изделий из нанокристаллических материалов и может быть использована для улучшения физико-механических, коррозионных и других практически важных эксплуатационных свойств лопаток турбомашин.
Известно изделие из твердофазных наноструктурированных материалов, состоящих из исходной матрицы с нанесенным на нее слоем наноструктурированных материалов [заявка на патент РФ №2005106650. Способ получения твердофазных наноструктурированных материалов и устройство для его реализации. МПК С01В 31/00, 2006 г.]. Недостатком указанного способа является невозможность получения изделий с нанокристаллическим поверхностным слоем материала матрицы.
Известно изделие из объемных нанокристаллических металлических материалов, полученных методом интенсивно-пластической деформации для формирования [Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 272 с.].
Недостатком известного изделия [Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 272 с.] является невозможность получения непосредственно в поверхностном слое металлических деталей нанокристаллической структуры. В то же время для таких деталей, как лопатки турбомашин, необходимо обеспечивать упрочненный поверхностный слой материала [патент РФ 2117073. Способ модификации поверхности титановых сплавов. МПК С23С 14/48, 1998]. Лопатки турбомашин работают в условиях воздействия знакопеременных нагрузок, которые могут приводить к возникновению поверхностных трещин и разрушению лопаток. Поэтому эксплуатационную надежность лопаток можно обеспечить путем повышения физико-механических свойств поверхностного слоя материала детали. Создание в поверхностном слое материала нанокристаллической структуры, имеющей по сравнению с обычными не нанокристаллическими сплавами более высокие прочностные свойства, позволяет значительно повысить эксплуатационные свойства подобных изделий. Например, по сравнению со сплавами, имеющими размеры зерен величиной более 1 мкм, время до разрушения образцов при испытаниях на прочность повышается в 2-3 раза, а усталостная долговечность на 1-2 порядка. Кроме того, не всегда, в частности из соображений дороговизны, является целесообразным создание всего изделия из объемного нанокристаллического металла или сплава. Даже при использовании для изготовления деталей объемного нанокристаллического материала с относительно крупными кристаллами повышенные эксплуатационные свойства могут быть получены за счет измельчения структуры в поверхностном слое материала детали.
Известно изделие с нанокристаллическим поверхностным слоем, полученным на поверхности изделия с помощью туннельного микроскопа. На поверхность изделия наносят тонкий слой металла, на котором сорбируется тонкая пленка воды. В результате электрохимических процессов на обрабатываемом участке образуется слой в несколько десятков нм [Matsumoto К., Sedawa К. Application of Scanning Tunneling Microscopy Nanofabrication process to Single Electron Transistor. - Journ. Vac. Sci. Technol. - 1996, В. 14, рр. 1331-1335].
Недостатком данного технического решения является невозможность его применения в таких деталях, как, например, лопатка турбомашины.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является изделие с наноструктурированным поверхностным слоем, полученным бомбардировкой поверхности материала тяжелыми ионами (Fleischcr R.L., Price Р.В., Walker R.M. Nuclear Tracks in Solids. - Univ. of California, Berkeley, 1979). В области трека происходит аморфизация кристаллической структуры с образованием наноразмерных структур, ориентированных вдоль трека.
Недостатком прототипа является неоднородность полученного поверхностного слоя материала изделия, поскольку облучение поверхностного слоя ускоренными тяжелыми ионами приводит к формированию в материале вдоль трека иона сильно разупорядоченной области диаметром от единиц до десятков нм ["Микроэлектроника". - 1998, т. 27, 1, с. 46-48].
Задачей и техническим результатом настоящего технического решения является повышение эксплуатационных свойств изделий из алюминиевого сплава за счет использования однородного нанокристаллического поверхностного слоя материала.
Технический результат достигается тем, что в лопатке турбомашины из алюминиевого сплава с упрочненным поверхностным слоем в отличие от прототипа упрочненный поверхностный слой состоит из двух слоев: наружного слоя толщиной от 1 до 3 мкм, состоящего из нанокристаллов алюминиевого сплава, содержащего Y, и расположенного непосредственно под наружным слоем внутреннего слоя толщиной от 5 до 20 мкм, состоящего из нанокристаллов алюминиевого сплава. Кроме того, возможны следующие варианты воплощения полезной модели: нанокристаллы алюминиевого сплава наружного слоя имеют размеры в диапазоне от 10 до 600 нм, а нанокристаллы алюминиевого сплава внутреннего слоя имеют размеры в диапазоне от 300 до 900 нм.
Сущность данного технического решения заключается в том, что в поверхностном слое материала изделия одним из известных способов формируют равномерный аморфный поверхностный слой. Формирование аморфного слоя позволяет, с одной стороны, уменьшить влияние исходной структуры материала изделия на вновь формируемую нанокристаллическую структуру поверхностного слоя, а с другой стороны - создает предпосылки к образованию нанокристаллов в процессе последующей кристаллизации. В качестве способа получения аморфного слоя может использоваться способ ионной имплантации. При внедрении в поверхностный слой алюминиевого сплава ионов Y происходит формирование аморфного слоя, состоящего, в свою очередь, из двух слоев: наружного аморфного слоя толщиной порядка 1…3 мкм, содержащего внедренные ионы Y, и внутреннего слоя толщиной от 5 до 20 мкм, образованного в результате воздействия внедренных ионов (эффект дальнодействия, образование радиационных дефектов структуры). В процессе кристаллизации аморфного поверхностного слоя размеры нанокристаллов будут зависеть от частоты приложенной нагрузки и времени температурной выдержки. При этом для быстрой фиксации процессов перехода материала от аморфного состояния к нанокристаллическому необходимо также управлять скоростью охлаждения материала изделия.
Таким образом, получение аморфного поверхностного слоя материала лопатки турбомашины с последующим преобразованием его путем деформации и кристаллизации в нанокристаллический поверхностный слой материала изделия позволяет достичь эффекта предлагаемого технического решения - повышения эксплуатационных свойств изделий из металлов и сплавов.
Пример. Для оценки эксплуатационных свойств лопаток, изготовленных из дюралюминия (Д16), изготовленных согласно прототипу и предлагаемому техническому решению, были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность в условиях эксплуатационных температур на воздухе.
-1
В результате проведенных испытаний были получены следующие результаты: условный предел выносливости (σ) лопаток из дюралюминия (Д16) в среднем по сравнению с прототипом составляет:
1) прототип: 120-125 МПа;
2) по предлагаемому техническому решению: 135-145 МПа.
-1
Условный предел выносливости (σ) алюминиевых сплавов (Д1, Д16, Д16Т) в среднем повышается приблизительно на 13-16%, что подтверждает заявленный технический результат.