СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН
METHOD OF TREATMENT OF TURBOMACHINES BLADES

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток компрессора и турбины от солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости и циклической долговечности.
В промышленности известен гальванический способ нанесения никель-кадмиего (NiCd) покрытия на лопатки компрессора ГТД (Петухов А.Н. Усталость замковых соединений лопаток компрессоров // Труды ЦИАМ №1213, 1987. - 36 с.).
Недостатками этого способа являются невысокая устойчивость к солевой коррозии, экологический вред гальванического производства, а также вероятность наводороживания поверхности, обусловливающего снижение выносливости и циклической долговечности.
Также известен способ защиты стальных деталей машин от солевой коррозии последовательным осаждением в вакууме на поверхность пера первого слоя конденсированного покрытия сплава на основе никеля толщиной от 6 до 25 мкм и второго слоя покрытия на основе алюминия толщиной от 4 до 12 мкм (Полищук И.Е. Структура и свойства газотермических покрытий на основе интерметаллидов системы никель-алюминий // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. науч.тр. НАН Украины, Науч. Совет НАНУ по пробл. "Физика твердого тела". - Киев, 1998).
Недостатками этого способа являются высокая температура отжига (=610°С), которая приводит к изменениям в структуре материала (например таких сталей, как 20X13, ЭИ961, 15X11МФ). Кроме того, процесс осаждения таких покрытий характеризуется высокой трудоемкостью (не менее 4 ч на садку) и материалоемкостью, при этом увеличение толщины покрытия приводит к существенному снижению ее усталостной и адгезионной прочности.
Известен способ защиты стальных изделий от солевой коррозии (преимущественно лопаток паровых 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, МПК7 С23С 14/16, 30/00, С22С 19/05, 21/04, 20.04.2001).
Известен также способ защиты стальных деталей машин от солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии, заключающийся в том, что перед нанесением многослойного покрытия проводят ионную имплантацию ионами азота и постимплантационный отпуск, который совмещают с нанесением многослойного покрытия, а многослойное покрытие наносят многократным чередованием слоев титана, ∈-нитрида титана и α-нитрида титана, причем постимплантационный отпуск и нанесение многослойного покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл. (Патент РФ №2226227, кл. С23С 14/48, 27.03. 2004).
Основным недостатком известных способов является недостаточно высокая стойкость покрытия к солевой коррозии (в связи с его пористостью) и недостаточной стойкости к капельно-ударной эрозии из-за малой толщины и твердости. При увеличении толщины покрытия происходит снижение ее адгезии и усталостной прочности, что ухудшает эксплуатационные свойства лопаток.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ защиты лопаток паровых и газовых турбин от солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии, включающий имплантацию ионов одного из следующих химических элементов Cr, Y, Yb, C, B, Zr или их комбинации, а также их комбинации с ионами N и нанесение в вакууме многослойного покрытия чередованием слоев металлов Ti, Zr, Cr и их нитридов (Заявка РФ №2005134034, кл. С23С 14/48, от 03.11.2005).
Основным недостатком аналога является обеспечение недостаточно надежной защиты изделия от пылевой и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости, циклической прочности, что особенно важно при эксплуатации компрессорных лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) и лопаток паровых турбин, а также недостаточно широкого диапазона свойств защитных покрытий, снижающих возможность оптимизации покрытий по условиям эксплуатации защищаемых деталей.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение стойкости покрытия к солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости, циклической прочности, снижении трудоемкости практической реализации и расширения диапазона свойств защитных покрытий.
Технический результат достигается тем, что в способе обработки лопаток турбомашин, включающем имплантацию ионов одного из следующих химических элементов Cr, Y, Yb, C, B, Zr, N или их комбинации с последующим нанесением в вакууме многослойного покрытия, содержащих металлы и их нитриды, в отличие от прототипа, наносят многослойное покрытие с чередующимися слоями (Ti-TiN-Ti-TiAlN) или (Zr-ZrN-Ti-TiAlN), или (Cr-CrN-Ti-TiAlN), или (Zr-ZrN-TiAlN), или (Zr-TiAlN-Ti-ZrN), при этом количество слоев составляет 12-1560, а толщина слоя покрытия может составлять от 10 нм до 2 мкм при общей толщине покрытия от 5 мкм до 30 мкм.
10
20
2
Технический результат достигается также тем, что в способе обработки лопаток турбомашин ионную имплантацию проводят по следующим вариантам: после нанесения каждого слоя металла; проводят после нанесения каждого слоя покрытия, после нанесения каждого слоя металла проводят ионами азота, при нанесении каждого слоя покрытия проводят одновременно с ионной имплантацией легирующими ионами, при этом в качестве легирующих ионов используют N, Cr, Y, Yb, C, B, Zr; a ионную имплантацию проводят при энергии ионов 300-1000 эВ и дозе имплантации ионов 10 до 5·10 ион/см.
Для исследования стойкости лопаток турбомашин на солевую и газовую коррозии, газоабразивную и капельно-ударную эрозию были изготовлены образцы из стали 20Х13, которые были подвергнуты (указанным в таблице 1) вариантам обработки, с целью получения защитных покрытий. Количество образцов группы бралось равным трем.
Табл.1
№ Группы образцов
Имплантируемые ионы (в основу)
Имплантируемые ионы (в покрытие)
Материал слоев и схема их чередования
1 (Прототип)
N+Cr
N
n<sub>1</sub>(Ti-TiN-TiN)
2
N+Cr
N
n<sub>2</sub>(Ti-TiN-Ti-TiAlN)
3
Yb
Y
n<sub>2</sub>(Zr-ZrN-Ti-TiAIN)
4
Y+N
Cr
n<sub>2</sub>(Cr-CrN-Ti-TiAIN)
5
Y
N
n<sub>2</sub>(Ti-TiAlN-Ti-TiN)
6
Yb
Y
n<sub>2</sub>(Zr-ZrN-TiAIN)
7
С
N
n<sub>2</sub>(Zr-TiAlN-Ti-ZrN)
19
2
Режимы обработки образцов и нанесения покрытия: ионная имплантация (ионами N, Cr, Y, Yb, С,В, Zr) с энергией Е=300эВ-30 КэВ и дозой облучения Д=3·10 ион/см с последующим постимплантационным отпуском в вакууме при температуре 400°С в течение 1 ч с одновременным нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия (материал слоев и схема их чередования согласно таблицы 1).
1
2
Толщины слоев составляли: прототип - первый слой - Me толщиной около 1 мкм, второй слой - нитрид Me толщиной около 2 мкм, количество слоев n бралось равным 12 при общей толщине покрытия от 19 до 21 мкм; предлагаемое техническое решение - первый слой - Me толщиной 0,3 мкм, последующие слои - толщиной от 10 нм до 2 мкм, количество слоев n бралось от 12 до 1560 при общей при общей толщине покрытия от 19 до 21 мкм.
Стойкость к солевой коррозии исследовалась по ускоренной методике Всероссийского института авиационных материалов (ВИАМ). Сущность методики испытания заключается в ускорении коррозионного процесса под влиянием ионов хлора при высоких и быстроменяющихся температурах и относительной влажности воздуха, приближенных к условиям эксплуатации лопаток.
В процессе испытаний производилось взвешивание образцов на аналитических весах модели ВЛР-200: в исходном состоянии; после испытаний - с продуктами коррозии на поверхности образцов; после удаления коррозионного налета - химическим способом.
Кроме этого проводилась оценка глубины коррозионных повреждений общепринятым металлографическим методом на наклонных шлифах с углом наклона=3. Результаты коррозионных испытаний приведены в табл.2.
Таблица 2
Коррозионная стойкость.
№
Результаты внешнего осмотра
Результаты взвешивания, г.
Потеря
п/п
До удаления продуктов коррозии
После удаления продуктов коррозии
В исход. сост.
После испытаний (с удаленными продуктами коррозии)
массы, г
1.
Продукты коррозии по всему периметру образца
Точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
32,8242
32,7522
0,0720
2.
Продукты коррозии по периметру образца
Отдельные точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
33,1260
33,0933
0,0327
3
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
32,0968
32,0637
0,0331
4
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
32,9807
32,9515
0,0292
5
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
32,7542
32,7319
0,0223
6
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
33,0917
33,0446
0,0471
7
Продукты коррозии по отдельным участкам образца
Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-крат. увеличении)
32,1274
32,1037
0,0237
Таблица 3.
Стойкость к пылевой эрозии.
№
Потеря массы,
Увеличение
п/п
мкм
стойкости, раз
0
4,56
-
1
0,61
7,47
2
0,34
13,41
3
0,33
13,81
4
0,29
15,72
5
0,34
13,41
6
0,31
14,71
7
0,38
12,00
Таблица 4.
Стойкость к капельно-ударной эрозии.
№ п/п
Увеличение стойкости, раз
№ п/п
Увеличение стойкости, раз
0
-
4
12,7
1
6,5
5
9,6
2
8,9
6
8,7
3
10,1
7
11,3
Анализ результатов сравнительных коррозионных испытаний показал, что наилучшие защитные свойства обеспечивает предлагаемый способ нанесения многослойного покрытия. Образец, обработанный по предлагаемому способу, характеризуется наименьшей потерей массы и минимальной площадью поверхности, пораженной коррозией, что свидетельствует о высокой надежности наносимого многослойного покрытия.
3
3
Стойкость к пылевой эрозии исследовалась по методике ЦИАМ (Технический отчет ЦИАМ "Экспериментальное исследование износостойкости вакуумных ионоплазменных покрытий в запыленном потоке воздуха" №10790, 1987. - 37 с.) в пескоструйной установке 12Г-53 струйно-эжекторного типа. Для обдува использовался молотый кварцевый песок с плотностью=2650 кг/м, твердостью 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, что несколько выше, чем концентрация пылевых частиц на входе в авиационный двигатель в реальных условиях. Результаты испытания приведены в табл.3. Из таблицы видно, что стойкость к пылевой эрозии у образца, обработанного по предлагаемой методике, увеличилась приблизительно в 1,6…3,4 раза.
уд
Стойкость к капельно-ударной эрозии исследовалась по методике МЭИ (Московского энергетического института) на стенде "Эрозия" при соударении жидких частиц размером 800 мкм и скоростью С=300 м/с.
Результаты исследования приведены в табл.4. Установлено, что стойкость к капельно-ударной эрозии у образцов, обработанных по предлагаемому способу, увеличилась, приблизительно от 1,3 до 1,9 раз по сравнению с прототипом.
-1
Дополнительно были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из стали 20X13 на воздухе и коррозионной среде в соответствии с требованиями ГОСТ 9.302-88. В результате эксперимента установлено следующее: при испытаниях на воздухе условный предел выносливости (σ) образцов в исходном состоянии (без покрытия) составляет 320 МПа, у образцов, упрочненных по предлагаемому способу, до 380 МПа; при испытаниях в коррозионной среде условный предел выносливости образцов в исходном состоянии (без покрытия) составляет 180 МПа, у образцов, упрочненных по предлагаемому способу, до 340 МПа.
Подобные результаты были получены также для образцов из материалов ЭИ961 и 15X11МФ.
Проведенные испытания покрытий показали, что приведенная в формуле изобретения совокупность существенных признаков позволяет достичь технического результата предлагаемого изобретения - повысить стойкость покрытия к солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости, циклической прочности, снижении трудоемкости практической реализации и расширения диапазона свойств защитных покрытий.
Пример конкретной реализации способа.
Обработку поверхности лопаток турбомашин по описываемому способу проводят после всех формообразующих механических обработок, включая полирование. Лопатку тщательно обезжиривают в ультразвуковой ванне и протирают бензино-ацетоновой смесью. Для удаления остатков влаги лопатку подвергают термообработке в сушильном шкафу при температуре от 60° до 65°С.После сушки лопатку устанавливают в вакуумную камеру, где создают вакуум не ниже 2-104 Па и проводят очистку ионами аргона в течение 12 мин с последующей ионной имплантацией азота и хрома по режиму
N+Cr
N
(Ti- -TiN-TiAIN)
Имплантируемый ион Азот
Энергия ионов 300-1000 эВ
2
Плотность ионного тока 5-10 мА/см
19
2
Доза имплантации ионов 310 ион/см
Имплантируемый ион Хром
Энергия ионов 300-1000 эВ
2
Плотность ионного тока 5-10 мА/см
19
2
Доза имплантации ионов 3·10 ион/см
18
2
После этого в том же рабочем пространстве проводят вакуумный постимплантационный отпуск при температуре 400°С в течение 1 ч, совмещенный с нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия на основе титана и нитрида титана с последовательным чередованием слоев: первый слой - титан толщиной 0,3 мкм, второй слой - нитрид титана толщиной 0,3 мкм, третий слой алюмонитрид титана толщиной 0,6 мкм, причем, после нанесения каждого слоя титана производят имплантацию ионов азота по режиму: энергия ионов 300-1000 эВ, доза имплантации ионов 5·10 ион/см. Нанесение указанных слоев повторяют до получения заданной толщины (20 мкм) многослойного покрытия. Режимы при нанесении покрытия: ток 1=140 А, напряжение U=140 В.