СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА СКОЛЬЗЯЩУЮ ПОВЕРХНОСТЬ ЖАРОПРОЧНОГО ЭЛЕМЕНТА, ЖАРОПРОЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2008 года по МПК C23C26/00 B23H9/00 B23H1/04 F02C7/00 

Настоящее изобретение относится к способу нанесения покрытия на скользящую поверхность жаропрочного элемента, жаропрочному элементу и электроду для электроразрядной обработки поверхности.

На фиг.1 схематически представлен чертеж бандажированной лопатки турбины в качестве примера жаропрочного элемента, видимого со стороны бандажного участка, а на фиг.2 показан другой вид в перспективе бандажного сегмента.

Бандажированная лопатка турбины образуется лопаточным участком 1, соединительным участком типа «ласточкин хвост» 2 и бандажным участком 3. Лопаточный участок 1 является участком, имеющим сечение в форме лопасти, в котором энергию вращения генерирует рабочий газ. Участок типа «ласточкин хвост» 2 расположен на исходящем конце участка лопатки 1 и прикреплен к диску турбины (не показан) для передачи энергии вращения на диск турбины. Бандажный участок 3 прикреплен к наконечнику лопатки и предназначен для гашения вибрации или уменьшения утечки газа на наконечнике.

Как показано на фиг.1, бандажные участки выполнены таким образом, чтобы они были объединены с одним или несколькими лопаточными участками 1 и собраны так, чтобы тесно контактировать между собой. Поверхность тесного контакта (поверхность сопряжения) в одном случае является, как видно из радиального направления, просто прямой, а в другом случае, как в этом примере, образует посредине уступ. Поверхность с уступом посредине будет далее упоминаться как «Z-образная».

В случае Z-образного бандажного участка бандажные участки, расположенные рядом друг с другом, как показано пунктиром с двумя точками на фиг.1, прилегают друг к другу боковыми поверхностями А, В Z-образного изгиба 3а, чтобы сохранять общее положение. Поэтому Z-образные бандажные участки отличаются большой способностью сохранения положения, не будучи соединены между собой.

Однако лопатка турбины вращается в процессе работы с большой скоростью и не только периодически подвергается деформации и вибрации, но и открыта также воздействию рабочего газа с высокой температурой, проходящего через лопатку турбины. Поэтому существует проблема, заключающаяся в том, что боковые поверхности А, В бандажного участка подвергаются воздействию высокого поверхностного давления при высокой температуре в процессе трения и подвергаются сильному абразивному износу. Следует отметить, что скользящие поверхности А, В не закреплены, и одна поверхность обозначена как А, в то время как поверхность, упирающаяся в эту поверхность, обозначена как В.

Для решения этой проблемы до сих пор на поверхности, расположенные рядом с Z-образным изгибом лопатки турбины и скользящие друг против друга (боковые поверхности А, В, упоминаемые далее как «скользящие поверхности А, В»), способом наплавки или термического напыления наносили твердый жаропрочный/износостойкий металл (например, [Ссылка 1]).

[Ссылка 1]

Японская открытая патентная публикация №2001-152803

Однако при наплавке или термическом напылении скорость формирования слоя высока, но существуют проблемы, заключающиеся в низком уровне прочности/сцепления слоев, точности размеров и обрабатываемости, а также в затруднительности автоматизации. Существуют также проблемы, заключающиеся в необходимости предварительной или последующей обработки и в высоких издержках.

С другой стороны, как показано на фиг.3 и 4, в высокотемпературной секции турбины используется большое количество сборочных участков 5. Как показано на фиг.5, большое количество скользящих поверхностей существует даже в сегменте лопатки статора компрессора. Задняя ступень компрессора имеет во время работы высокую температуру.

Сборочные участки высокотемпературной секции турбины и скользящие поверхности компрессора трутся друг о друга в процессе работы и поэтому быстро изнашиваются и нуждаются в нанесении покрытия из жаропрочного износостойкого материала. Поэтому до сих пор к поверхности, выполненной методом наплавки или термического напыления, крепится твердый материал. То есть перед наплавкой или термическим напылением поверхностный слой детали активизируется путем шлифования или пескоструйной обработки. Затем методом наплавки или термического напыления наносится сплав на основе Стеллита, а после наплавки или термического напыления осуществляется шлифовальная обработка с целью удаления избыточного металла и сохранения размеров. Однако существуют проблемы, связанные с тем, что сборочные участки являются узкими пазами, наплавка или термическое напыление осуществляются с трудностями, а участки из обычных материалов быстро изнашиваются.

С другой стороны, технология нанесения покрытия на поверхность металлического материала путем создания в жидкости электрического разряда с целью придания коррозионного и износостойкого сопротивления уже была заявлена на получение патента и хорошо известна. Сущность этой технологии заключается в следующем. Во-первых, смешивают порошок карбида вольфрама (WC) и Со, прессуют и формуют из него электрод, с использованием электрода осуществляют электрический разряд и материал электрода откладывается на заготовке. Затем осуществляют электроразрядный переплав материала электрода, отложившегося на заготовке, с помощью другого электрода (например, медного электрода, графитового электрода и т.п.), и этот способ позволяет получить более высокую твердость и сцепление. Это «известное» техническое решение будет описано далее.

Сначала будет описано второе «известное» техническое решение (например, см. Ссылку 2). Для выполнения электроразрядной обработки заготовки (исходный материал S50C) в жидкости и для нанесения WC-Co используется не спеченный прессованный электрод из смеси WC-Co (первичная обработка). Затем осуществляется переплав (вторичная обработка) электродом, который не слишком изнашивается, таким как медный электрод. Только при нанесении в ходе первичной обработки слой покрытия обладает твердостью (твердость по Виккерсу) около Hv=1410 и имеет структуру, в которой много пустот. Однако в ходе вторичной обработки, которая является процессом переплава, пустоты устраняются и получается слой покрытия, обладающий улучшенной структурой, имеющей твердость Hv=1750. В соответствии со способом согласно второму «известному» техническому решению получается твердый слой покрытия, обладающий хорошим сцеплением со стальным материалом. Однако трудно сформировать обладающий прочным сцеплением слой покрытия на поверхности спеченного материала, такого как твердый спеченный сплав.

Далее, в соответствии с третьим известным техническим решением, представленным настоящим заявителем, разъясняется, что в качестве электрода используется материал, образующий твердый карбид, такой как Ti, для генерирования электрического разряда между электродом и металлическим материалом, образующим заготовку, а затем на поверхности металла заготовки может быть образован прочный твердый слой покрытия без какого-либо процесса переплава (например, см. Ссылку 3). Это объясняется тем, что материал электрода, отделенный электрическим разрядом, вступает в реакцию с углеродом С, который является элементом диэлектрической жидкости, с образованием карбида титана (TiC). Кроме того, было обнаружено, что при генерировании электрического разряда между металлическим материалом заготовки и неспеченным прессованным электродом из гидрида металла, такого как гидрид титана (TiH₂), слой твердого покрытия, обладающий качественным сцеплением, может образоваться быстрее, чем при использовании такого материала как Ti. Далее обнаружено, что при генерировании электрического разряда между металлическим материалом заготовки и не спеченным прессованным электродом, полученным путем смешивания гидрида типа TiH₂ с другим металлом или керамикой, может быть быстро образован слой твердого покрытия, обладающий различными характеристиками, такими как твердость и износостойкость.

Кроме того, в соответствии с четвертым известным техническим решением обнаружено, что электрод для обработки поверхности, обладающий высокой прочностью, может быть изготовлен путем предварительного спекания (например, см. Ссылку 4). В качестве одного из примеров четвертого известного технического решения будет описано изготовление электрода для электроразрядной обработки поверхности, составленного из смеси порошков WC и Со. Для не спеченной прессовки, полученной путем смешивания, прессования и формовки порошков WC и Со, порошки WC и Со можно просто смешивать, прессовать и формовать. Однако при прессовании/формовке порошков после подмешивания парафина пригодность не спеченной прессовки к формовке предпочтительно улучшается. Парафин, однако, является изолирующим материалом. Следовательно, если в электроде остается большое количество парафина, электрическое сопротивление электрода возрастает, и поэтому электроразрядные характеристики ухудшаются. Поэтому необходимо удалить парафин. Когда неспеченный прессованный электрод загружают и нагревают в вакуумной печи, парафин может быть удален. В то время, когда температура нагрева слишком низкая, парафин не может быть удален. В то время, когда температура слишком высокая, парафин превращается в сажу, и чистота электрода ухудшается. Поэтому температура нагрева должна быть на уровне не ниже температуры плавления парафина и не выше температуры разложения парафина и превращения его в сажу. Далее неспеченная прессовка нагревается в вакуумной печи высокочастотной катушкой и обжигается до такой степени, что ее прочность допускает механическую обработку, так что прессовка не подвергается избыточному упрочнению, но демонстрирует прочность на уровне мела. Однако участок контакта между карбидами обжигают при сравнительно низкой температуре спекания, так что это соединение является развитым, однако до реального спекания достигается слабое соединение. Известно, что при обработке поверхности электрическим разрядом с использованием этого электрода может быть выполнено плотное и однородное покрытие.

Далее в соответствии с пятым известным техническим решением отчасти можно отметить, что слою покрытия могут придаваться различные функции путем регулирования состава материалов, которые должны смешиваться в качестве материалов электрода (например, см. Ссылку 5). В этом пятом известном техническом решении показано, что слою покрытия могут придаваться смазочные свойства за счет подмешивания материала, показывающего смазочные свойства в электроде.

Кроме того, в способе, описанном в шестом известном техническом решении, заготовка используется в качестве катода, а из любых материалов, таких как W или WC, сплав на основе Стеллита, TiB₂ (борид титана) и Cr₃С₂ (карбид хрома), выполняется электрод в форме стержня для обеспечения электроразрядной обработки, и на поверхность заготовки наносится фиксирующий слой из таких материалов, как W или WC, сплав на основе Стеллита, TiB₂ и Cr₃С₂. Затем на поверхность фиксирующего слоя способом термического напыления наносят W или WC, Cr₃С₂, Со, Cr, Al, Y и т.п., после чего поверхность подвергается плазменной обработке для получения износостойкости (например, см. Ссылку 6).

Далее в седьмом известном техническом решении описан электрод для электроразрядной обработки, выполненный из Cr₃С₂ и подобного ему материала для уменьшения износа электрода (например, см. Ссылку 7). В способе, описанном для восьмого известного технического решения, такие материалы, как WC, ТаС, TiC, cBN (объемный нитрид бора) и алмаз используются в качестве материала электрода для нанесения на заготовку материала электрода, расплавленного электрическим разрядом в атмосфере, и образования слоя покрытия (например, см. Ссылку 8). Кроме того, девятое известное техническое решение относится к технологии электроразрядной обработки поверхности, и к электроду для электроразрядной обработки поверхности добавляются смазочные материалы, такие как BN, для придания слою покрытия смазочной функции (например, см. Ссылку 9).

[Ссылка 2]

Японская открытая патентная публикация №5-148615 (стр.3-5)

[Ссылка 3]

Японская открытая патентная публикация №9-192937 (стр.9)

[Ссылка 4]

WO 99/58744 (стр.18-20)

[Ссылка 5]

WO 00/29157 (стр.6-7)

[Ссылка 6]

Японская открытая патентная публикация №8-81756 (стр.2-3)

[Ссылка 7]

Японская открытая патентная публикация №3-66520 (стр.2)

[Ссылка 8]

Японская открытая патентная публикация №8-53777 (стр.3)

[Ссылка 9]

Японская открытая патентная публикация №2001-279465 (стр.4-5)

Однако в некоторых видах электроразрядной обработки поверхности, раскрытых в описанных выше технических решениях (со второго по девятое), смазочные материалы добавляются для формирования функционального слоя покрытия, однако в большинстве этих технических решений внимание сосредотачивается на износостойкости при комнатной температуре, и поэтому на поверхности материала, предназначенного для обработки, образуется слой покрытия из твердого материала, такого как TiC.

С другой стороны, в последние годы наблюдалась большая потребность в слое покрытия, обладающего свойствами износостойкости в высокотемпературной среде или смазочными свойствами. На фиг.6 схематически показана лопатка турбины авиационного двигателя газовой турбины. В этом авиационном газотурбинном двигателе, как показано на этой фигуре, множество лопаток 201 турбины контактируют между собой и закреплены, и предназначены для вращения вокруг оси. Когда лопатки 201 турбины вращаются во время работы авиационного газотурбинного двигателя, контактный участок А вдоль показанных лопаток 201 турбины сильно трется и соударяется в условиях высокотемпературной среды. В качестве наиболее близкого аналога заявленных изобретений, представленных в приведенных пунктах 1-21, может быть принят известный способ нанесения покрытия на поверхность жаропрочного элемента по RU 2106429 C1, С23С 14/06, 10/03/1998; в качестве наиболее близкого аналога заявленных изобретений, представленных в приведенных пунктах 22-39 может быть принят известный из RU 2078148 C16С 23С 14/06, 27.04.1997 жаропрочный элемент со скользящей поверхностью и компонент газовой турбины; в качестве наиболее близкого аналога заявленных изобретений, представленных в приведенных пунктах 40-44 может быть принят известный из JP 11320272 A, С23С 26/00, 24.11.1999 для электроразрядной обработки, выполненный из неспеченной прессовки.

Существует проблема, заключающаяся в том, что износостойкое покрытие, применяемое в описанных выше известных технических решениях, снижает твердость или окисляется в высокотемпературной среде (700°С или выше), в которой используются лопатки турбины, и поэтому эффект износостойкости проявляется слабо. Более того, слой покрытия, которому согласно четвертому и восьмому известным техническим решениям приданы смазочные свойства, основан на предположении использования при комнатной температуре. Смазочные свойства при комнатной температуре сильно отличаются по своему проявлению и механизму от тех же свойств в высокотемпературной среде с температурой, превышающей 700°С, применяемой в авиационном газотурбинном двигателе. Проблема, связанная с такими известными техническими решениями, заключается в том, что в них не рассматриваются смазочные свойства в высокотемпературной среде.

Настоящее изобретение разработано для решения описанных выше проблем. То есть первой задачей настоящего изобретения является создание способа нанесения покрытия на скользящую поверхность жаропрочного элемента, а также жаропрочного элемента, который мало изнашивается даже при скользящем движении при высоком поверхностном давлении при высокой температуре, в котором улучшаются сцепление слоев, точность размеров и обрабатываемость, а также возможна автоматизация процесса.

Кроме того, второй задачей настоящего изобретения является создание электрода для электроразрядной обработки поверхности, с помощью которого на заготовку способом электроразрядной обработки поверхности наносится слой покрытия, обладающий износостойкостью и смазочными свойствами даже в высокотемпературной среде.

Для достижения поставленных задач согласно настоящему изобретению предлагается способ нанесения покрытия на скользящую поверхность жаропрочного элемента, включающий использование электрода из неспеченной прессовки из материала, обладающего смазочными свойствами при высокой температуре, или смеси из жаропрочного твердого материала и материала, обладающего смазочными свойствами при высокой температуре, генерирование импульсного электрического разряда между электродом и скользящей поверхностью и формирование слоя покрытия из материала электрода или продукта реакции материала электрода со скользящей поверхностью с использованием энергии электрического разряда.

Выполнение термообработки осуществляется после выполнения электроразрядной обработки поверхности материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре.

Материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, содержит хром, и/или оксид хрома (Cr₂О₃), и/или hBN, предпочтительно 10% или более хрома, и не содержит 20% или более никеля.

Жаропрочным твердым материалом является любой из числа cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃С₂, SiC, ZrC, VC, B₄C, Si₃N₄, ZrO₂ и Al₂О₃ или их смесь.

Далее согласно настоящему изобретению предлагается способ нанесения покрытия на поверхности скольжения жаропрочного элемента, включающий электроразрядную обработку скользящей поверхности А, контактирующей с другим элементом в высокотемпературной среде, жаропрочным твердым материалом или материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, или смесью упомянутых материалов, путем генерирования импульсного электрического разряда между упомянутым электродом жаропрочным элементом в жидком или газообразном диэлектрике, так что материал электрода или продукт реакции материала электрода со скользящей поверхностью образует слой покрытия на упомянутой поверхности, и выполнение на скользящей поверхности В, которая упирается в скользящую поверхность А, наплавки, или термического напыления, или электроразрядной обработки поверхности материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре.

Согласно настоящему изобретению предлагается способ нанесения покрытия на поверхности скольжения жаропрочного элемента, включающий электроразрядную обработку скользящей поверхности А, контактирующей с другим элементом в высокотемпературной среде, материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, или смесью жаропрочного твердого материала, обладающего смазочными свойствами при высокой температуре, и выполнение на скользящей поверхности В, которая упирается в скользящую поверхность А, наплавки, или термического напыления, или электроразрядной обработки поверхности жаропрочным твердым материалом или материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, или смесью упомянутых материалов.

Кроме того, согласно настоящему изобретению предлагается способ нанесения покрытия на скользящую поверхность жаропрочного элемента, включающий выполнение на скользящей поверхности, которая контактирует с другим элементом в высокотемпературной среде, электроразрядной обработки поверхности пористым материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, и заполнение пор твердым смазочным материалом.

Предпочтительно способ также включает смешивание твердого смазочного материала с летучим растворителем для заполнения пор твердым смазочным материалом путем нанесения материала щеткой или смешивание твердого смазочного материала с мягким каучуком для заполнения пор втиранием.

Предпочтительно твердым смазочным материалом является оксид хрома (Cr₂О₃) или смесь оксида хрома (Cr₂О₃) и кремния (Si).

Далее согласно настоящему изобретению предлагается жаропрочный элемент со скользящей поверхностью, контактирующей с другим элементом в высокотемпературной среде, при этом он имеет слой покрытия из материала электрода для электроразрядной обработки поверхности, или продукта реакции материала электрода со скользящей поверхностью, полученного путем электроразрядной обработки поверхности с использованием электрода из неспеченной прессовки из жаропрочного твердого материала, или материала, обладающего смазочными свойствами при высокой температуре, или смеси упомянутых материалов, и генерирования импульсного электрического разряда между электродом и скользящей поверхностью.

Жаропрочный элемент согласно изобретению предпочтительно термически обработан с получением прочности на растяжение скользящей поверхности 40 МПа или больше после выполнения электроразрядной обработки его поверхности материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре.

Согласно настоящему изобретению предлагается жаропрочный элемент с одной скользящей поверхностью, подвергнутой электроразрядной обработке жаропрочным твердым материалом, или материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, или смесью упомянутых материалов, и контактирующей с другой скользящей поверхностью на другом элементе в условиях высокотемпературной среды, на которую направлен, или термически напылен, или нанесен электроразрядной обработкой материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре.

Кроме того, согласно настоящему изобретению предлагается жаропрочный элемент с одной скользящей поверхностью, на которую нанесено покрытие из жаропрочного твердого материала, или материала, обладающего смазочными свойствами при высокой температуре, или смеси упомянутых материалов и которая контактирует с другой скользящей поверхностью на другом элементе в условиях высокотемпературной среды, подвергнутой электроразрядной обработке жаропрочным твердым материалом, или материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, или смесью упомянутых материалов.

Согласно настоящему изобретению предлагается жаропрочный элемент со скользящей поверхностью, контактирующей с другим элементом в высокотемпературной среде и подвергнутой электроразрядной обработке пористым материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, с последующим заполнением пор твердым смазочным материалом.

Далее согласно настоящему изобретению предлагается компонент газовой турбины или компонент осевого компрессора, содержащий жаропрочный элемент по любому из п.п.22-38, и который является лопаткой ротора турбины, сегментом лопатки статора, сегментом лопатки статора компрессора, камерой сгорания газовой турбины, или стационарным компонентом турбины, или камерой догорания.

Согласно способу и жаропрочному элементу по изобретению, когда скользящие поверхности А, В подвергаются электроразрядной обработке поверхности жаропрочным твердым материалом, может быть повышена твердость скользящих поверхностей А, В при высокой температуре. Когда скользящие поверхности А, В подвергаются электроразрядной обработке поверхности материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, могут быть улучшены смазочные свойства скользящих поверхностей А, В при высокой температуре. Кроме того, когда при электроразрядной обработке поверхности используются и жаропрочный материал, и материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, могут быть одновременно повышены твердость при высокой температуре и смазочные свойства при высокой температуре.

Кроме того, когда при электроразрядной обработке поверхности используют пористый материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, а поры заполняются твердым смазочным материалом, стабильные смазочные свойства могут быть получены, начиная от низкой температуры 700°С или ниже и до высокой температуры 700°С или больше. Материал не начинает демонстрировать смазочные свойства за счет окисления при высокой температуре, но содержащийся материал сам обладает смазочными свойствами. Поэтому материал обладает смазочными свойствами даже при температуре 700°С или ниже и с трудом поддается износу.

Кроме того, после того как материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, используется при электроразрядной обработке поверхности для формирования слоя покрытия на скользящей поверхности, этот материал подвергается термообработке, пористая структура может быть уплотнена и упрочнена, а внутренняя прочность покрытия может быть улучшена в толстом покрытии. Кроме того, при электроразрядной обработке поверхности наблюдается тенденция к образованию аморфной структуры металла, однако эта структура кристаллизуется и стабилизируется путем термообработки и может быть предупреждено изменение размеров в процессе работы.

Наряду с этим при электроразрядной обработке поверхности слой покрытия обладает таким же сцеплением, как при наплавке, точность размеров и качество остаются стабильными, пригодность к механической обработке - высокой, а издержки - заметно ниже, чем при наплавке или термическом напылении. Поэтому издержки производства могут быть значительно снижены.

Более того, электроразрядная обработка поверхности может быть легко применена на узких участках типа пазов, таких как сборочный участок, только за счет изменения формы электрода, и легко может быть образован сплошной жаропрочный/износостойкий слой покрытия.

Согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения жаропрочным твердым материалом является любой из числа cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃С₂, SiC, ZrC, VC, B₄C, Si₃N₄, ZrO₂ и Al₂О₃ или их смесь.

Поскольку эти жаропрочные твердые материалы обладают очень большой твердостью по Виккерсу при комнатной температуре, как описано ниже, и сохраняют большую твердость даже при высокой температуре, твердость при высокой температуре скользящих поверхностей А, В жаропрочного элемента может быть значительно улучшена.

Хром при высокой температуре окисляется, образуя оксид, и обеспечивает наличие смазочных свойств. Поэтому содержащий хром слой покрытия образуется на скользящих поверхностях А, В жаропрочного элемента с целью улучшения смазочных свойств при высокой температуре, и в равной степени или более может быть улучшена по сравнению с родственным техническим решением износостойкость. При высоком содержании никеля сдерживается окисление хрома при высокой температуре.

Как показано на фиг.7, 8, при содержании хрома 10% или меньше наблюдается незначительное содержание оксида хрома, и коэффициент трения велик. При содержании никеля 20% или больше оксид хрома образуется с трудом, и коэффициент трения велик. Поскольку оксид хрома и hBN сами обладают смазывающими свойствами, смазывающие свойства наблюдаются даже при низкой температуре.

Твердый смазывающий материал, которым заполняются поры пористого слоя покрытия, предпочтительно является материалом из оксида хрома или смеси порошкообразных оксида хрома и кремния. Вместо того, чтобы окисляться для приобретения смазочных свойств при высокой температуре, содержащийся материал сам обладает смазочными свойствами. Поэтому материал имеет смазочные свойства при температуре 700°С или ниже и с трудом поддается износу.

Для уплотнения и упрочнения пористой структуры путем термообработки материал могут нагревать до 1000°С в течение десяти минут или больше. Соответственно может быть получена прочность на растяжение порядка 100 МПа или больше, и может быть предотвращено отслаивание в пористом слое.

Кроме того, для достижения поставленных задач согласно настоящему изобретению предлагается электрод для электроразрядной обработки поверхности заготовки путем генерирования импульсного электрического разряда между электродом и заготовкой в жидком или газообразном диэлектрике для получения слоя покрытия на поверхности заготовки под воздействием энергии электрического разряда из материала электрода или продукта реакции материала электрода под воздействием энергии электрического разряда, при этом он выполнен из неспеченной прессовки из смеси тонкого порошка жаропрочного твердого материала, обладающего твердостью при высокой температуре, и тонкого порошка жаропрочного смазочного материала, который окисляется при высокой температуре, приобретая смазочные свойства.

Соответственно, электрод для электроразрядной обработки поверхности, выполненный из смеси жаропрочного твердого материала, обладающего большой твердостью при высокой температуре, и жаропрочного смазочного материала, обладающего смазочными свойствами при высокой температуре, используется для образования на поверхности заготовки способом электроразрядной обработки поверхности слоя покрытия, который с трудом поддается износу даже в высокотемпературной среде при температуре 700°С или выше.

Далее согласно настоящему изобретению предлагается электрод для электроразрядной обработки поверхности заготовки для получения слоя покрытия на ее поверхности путем генерирования импульсного электрического разряда между электродом и заготовкой в жидком или газообразном диэлектрике из материала электрода или продукта реакции материала электрода под воздействием энергии электрического разряда, при этом он выполнен из жаропрочного смазочного материала, который окисляется при высокой температуре, приобретая смазочные свойства.

Жаропрочный смазочный материал, который окисляется при высокой температуре для получения смазочных свойств, содержит хром.

Соответственно, слой покрытия, который имеет смазочные свойства в высокотемпературной среде с температурой 700°С или выше и который с трудом поддается износу, образуется на поверхности заготовки, образованной способом электроразрядной обработки поверхности с использованием электрода для электроразрядной обработки поверхности, выполненного из жаропрочного смазочного материала, обладающего смазочными свойствами при высокой температуре. Более того, слой покрытия, который обладает смазочными свойствами даже в низкотемпературной среде при температуре 700°С или ниже и который с трудом поддается износу, образуется на поверхности заготовки, образованной способом электроразрядной обработки поверхности с использованием электрода для электроразрядной обработки поверхности, включающего сам твердый смазочный материал.

Более того, когда твердый смазочный материал заполняет поры пористого слоя покрытия заготовки, образованного способом электроразрядной обработки поверхности с использованием электрода для электроразрядной обработки поверхности, выполненного из жаропрочного материала, обладающего смазочными свойствами при высокой температуре, образуется слой покрытия, имеющий смазочные свойства, который с трудом поддается износу даже в низкотемпературной среде при температуре 700°С или ниже.

Другие задачи и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего описания со ссылкой на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 схематически изображена бандажированная лопатка турбины, видимая со стороны бандажа;

на фиг.2 изображен вид в перспективе бандажного участка;

на фиг.3 схематически изображен сборочный участок высокотемпературной секции турбины;

на фиг.4 схематически изображен сборочный участок форсунки турбины;

на фиг.5 схематически изображен сборочный участок лопатки статора компрессора;

на фиг.6 изображена схема, показывающая часть авиационного газотурбинного двигателя;

на фиг.7 изображена диаграмма, показывающая изменение коэффициента трения при высокой температуре в зависимости от содержания Cr;

на фиг.8 изображена диаграмма, показывающая повышение трения при высокой температуре в зависимости от содержания Ni;

на фиг.9 схематически изображена электроразрядная обработка поверхности согласно настоящему изобретению;

на фиг.10 изображена диаграмма, показывающая сравнение величины износа сплава на основе Ni со сплавом на основе Со;

на фиг.11 изображено сравнение твердости по Виккерсу при высокой температуре;

на фиг.12 изображена сравнительная диаграмма величины окисления при высокой температуре;

на фиг.13 изображена сравнительная диаграмма интенсивности рентгеновского излучения оксида хрома при высокой температуре;

на фиг.14А и 14В показаны результаты рентгенографического анализа;

на фиг.15 изображена диаграмма, показывающая низкий коэффициент трения Cr₂О₃ при высокой температуре;

на фиг.16 изображена схема, показывающая твердый смазочный материал, поступающий в поры пористой структуры;

на фиг.17 изображена блок-схема, показывающая процедуру приготовления электрода для электроразрядной обработки поверхности согласно настоящему изобретению;

на фиг.18 изображена схема, показывающая разрез формовочного блока для приготовления электрода для электроразрядной обработки поверхности; и

на фиг.19 изображена схема, показывающая строение устройства для выполнения электроразрядной обработки поверхности.

Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны далее со ссылкой на чертежи. Следует отметить, что элементы, общие для соответствующих чертежей, обозначены одинаковыми цифровыми позициями, а дублирующие описания опущены.

Согласно способу нанесения покрытия на скользящие поверхности жаропрочного элемента по изобретению одну или обе скользящие поверхности А, В жаропрочного элемента подвергают электроразрядной обработке поверхности одним из числа жаропрочного твердого материала (4) и материала (6), обладающего смазочными свойствами при высокой температуре, или ими обоими, но наиболее предпочтительной является электроразрядная обработка поверхности обеих скользящих поверхностей А, В жаропрочного элемента и жаропрочным твердым материалом (4), и материалом (6), обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, вместе.

На фиг.9 схематически показана электроразрядная обработка поверхности согласно настоящему изобретению. Технология электроразрядной обработки поверхности описана, например, в японской открытой патентной публикации №7-197275 «Способ обработки поверхности металлического материала путем электрического разряда в жидкости». При улучшении мер предотвращения окисления и чувствительности электропроводной/изолирующей сервосистемы этот способ может также применяться и в газе.

На фиг.9 цифровой позицией 8 обозначен электроразрядный электрод, позицией 9 - диэлектрическая жидкость, позицией 10 - бак для обработки, позицией 11 - элемент крепления и позицией 12 - источник питания. На фиг.9 жаропрочный элемент закреплен в элементе крепления 11, а электрод 8 для электрического разряда расположен против этого элемента рядом со скользящей поверхностью А (или В) жаропрочного элемента. Диэлектрическую жидкость 9 заливают до такой высоты, что в нее оказываются погружены по меньшей мере скользящая поверхность А (или В) и часть электроразрядного электрода 8. В этом положении источник питания 12 генерирует электрический разряд между электроразрядным электродом 8 и скользящей поверхностью А (или В), и покрытие наносится только на скользящую поверхность А (или В) жаропрочного элемента.

Следует отметить, что даже при узком участке с формой паза, подобной сборочному участку на фиг.3, только скользящую поверхность А (или В) можно покрыть аналогичным образом только за счет придания электроразрядному электроду 8 формы, совместимой с формой паза.

В процессе электроразрядной обработки поверхности, когда на жаропрочный элемент и электроразрядный электрод, погруженный в жидкий или газообразный диэлектрик, такой как газообразный аргон или азот, подают напряжение, между расположенными напротив друг друга поверхностями генерируется импульсный электрический разряд. Поверхность электроразрядного электрода 8 отслаивается и плавится под воздействием электрического разряда, расплавленный материал наносится на скользящую поверхность А (или В) бандажного участка 3, однако наиболее предпочтительным является выполнение обработки в масле.

Поскольку толщина слоя покрытия определяется пропорционально количеству импульсов электрического разряда или длительности электроразрядной обработки, а условия могут быть изменены для контроля толщины покрытия в несколько микронов, электроразрядная обработка поверхности является способом нанесения покрытия, оптимальным для прецизионных элементов, таких как лопатка турбинного двигателя. Кроме того, слой покрытия образуется только на том участке, на котором происходит электрический разряд, и поэтому слой покрытия может быть образован локально на участке, предназначенном для нанесения покрытия, и ненужной становится предварительная обработка, такая как наложение маски. Кроме того, не нужна также последующая обработка, такая как удаление избыточной толщины слоя и сохранение размеров. Подвод тепла при каждом импульсе электрического разряда довольно мал, и поэтому лопатка турбинного двигателя практически не подвергается термической деформации.

При способе, являющемся предметом настоящего изобретения, электроразрядный электрод 8 изготавливают путем смешивания порошка жаропрочного твердого материала (4) и/или материала (6), обладающего смазочными свойствами при высокой температуре, прессования и формовки для использования. Жаропрочным твердым материалом (4) может также быть любой из числа cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃С₂, SiC, ZrC, VC, B₄C, Si₃N₄, ZrO₂ и Al₂О₃ или их смесь. TiC является предпочтительным при температуре применения компонента 900°С или меньше, cBN является предпочтительным при температуре 900°С или выше и 1000°С или ниже, а Al₂O₃, ZrO₂ являются предпочтительными при температуре 1000°С или выше.

При использовании жаропрочного твердого материала (4) в электроде для электроразрядной обработки поверхности материалы образуют слой покрытия, и скользящая поверхность может быть покрыта очень твердой тонкой керамикой (например, с твердостью по Виккерсу 4500 при использовании cBN) при низких издержках.

Кроме того, материал (6), обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, включает в качестве основного компонента хром, оксид хрома, hBN или сплав кобальта, содержащий эти вещества. Хромосодержащий материал содержит 10% или более хрома и не содержит 20% или более никеля.

Когда материал (6), обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, используется в электроде для электроразрядной обработки поверхности, материал образует слой покрытия, а смазочные свойства при высокой температуре могут быть улучшены при низких издержках.

Поэтому издержки производства значительно уменьшаются по сравнению с обычными процессами наплавки или термического напыления.

Когда хромосодержащий материал используют в материале (6), обладающем смазочными свойствами при высокой температуре, смазочные свойства при высокой температуре могут быть улучшены. Этот аспект будет описан подробно.

На фиг.10 изображена диаграмма, показывающая сравнение величины износа сплава на основе Ni со сплавом на основе Со. Согласно этой фигуре величина износа в случае сплава на основе кобальта падает в высокотемпературном диапазоне от 700 до 900°С. Кроме того, можно видеть, что величина износа быстро возрастает в высокотемпературном диапазоне в случае сплава на основе никеля.

На фиг.11 показано сравнение твердости по Виккерсу при высокой температуре. На этой фигуре можно видеть, что сплав на основе Ni Inconel 713LC обладает относительно большой твердостью даже при высокой температуре. Однако, хотя сплав на основе Ni Inconel 713LC является твердым, материал заметно изнашивается при высокой температуре, как будет описано далее.

На фиг.12 изображена сравнительная диаграмма величины окисления при высокой температуре. Хотя материал Inconel содержит Cr, материал не слишком окисляется при высокой температуре, Cr₂O₃ не образуется, и слабый износ не достигается. С другой стороны, в случае сплава на основе Со происходит окисление Cr с образованием Cr₂O₃ и предположительно достигается слабый износ.

На фиг.13 изображена сравнительная диаграмма интенсивности рентгеновского излучения, показывающая количество оксида хрома при высокой температуре. В количестве оксида хрома, образованного на поверхности металла, количество оксида в сплаве на основе Со быстро возрастает при температуре 700°С. Кобальт не препятствует окислению хрома. С другой стороны, даже при повышении температуры количество оксида хрома не меняется и остается на низком уровне в сплаве на основе Ni. Отсюда можно видеть значительное различие в величине износа в зависимости от наличия/отсутствия оксида, как показано на фиг.8.

На фиг.14А и 14В показаны результаты рентгенографического анализа материала после нагрева при температуре 900°С. На фиг.14А показан Inconel 713LC на основе Ni, а на фиг.14В показан сплав на основе Со (Х-40). Можно также видеть из данного сопоставления, что Cr₂О₃ не может быть, очевидно, образован в сплаве на основе Ni.

Кроме того, на фиг.15 изображена диаграмма, показывающая коэффициент трения Cr₂О₃ при высокой температуре. На этой фигуре можно видеть, что Cr₂О₃ имеет низкое трение при высокой температуре, и коэффициент трения особенно снижается в области 300°С и является значительно низким в области 700°С.

Из описанных выше характеристик Cr₂O₃ можно видеть, что смазочные свойства при высокой температуре можно улучшить за счет использования хромосодержащего материала (6), обладающего смазочными свойствами при высокой температуре. Аналогичным образом смазочные свойства при высокой температуре могут также быть улучшены за счет использования материала (6), содержащего Cr₂О₃ или hBN и обладающего смазочными свойствами при высокой температуре.

Скользящую поверхность А и/или В жаропрочного элемента подвергают электроразрядной обработке поверхности пористым материалом (6), обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, и твердый смазочный материал (7) смешивают с летучим растворителем, а поры заполняют твердым смазочным материалом (7) путем его нанесения, например, щеткой. Соответственно, смазочные свойства могут быть улучшены даже при температуре 600°С или ниже.

Кроме того, диффузионное сцепление структуры покрытия развивается за счет термообработки при реализации уплотнения и упрочнения структуры.

Скользящую поверхность А и/или В жаропрочного элемента подвергают электроразрядной обработке поверхности пористым материалом (6), обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, и твердый смазочный материал (7) смешивают с летучим растворителем и заполняют им поры щеткой или же смешивают с мягким каучуком и заполняют им поры втиранием и, соответственно, смазочные свойства могут быть улучшены даже при температуре 700°С или ниже. Пористая структура предпочтительно обладает пористостью 10% или больше. В качестве примера твердого смазочного материала (7) используется оксид хрома (Cr₂O₃) или смесь оксида хрома (Cr₂О₃) и кремния.

В качестве одного из примеров, при заполнении пор твердым смазочным материалом Cr₂О₃ приобретаются смазочные свойства, и материал не изнашивается вне зависимости от температуры. Когда поры заполняют твердым смазочным материалом Cr₂O₃, смешанным с Si, износ заметно снижается при 480°С. Si окисляется с образованием SiO₂, а сжиженное стекло и твердый смазочный материал Cr₂О₃ создают синергический эффект.

В таблице 1 приведены результаты испытаний, показывающие воздействие твердого смазочного материала, а на фиг.16 приведена схема, показывающая, как твердый смазочный материал поступает в поры пористой структуры.

[Таблица 1]Пример результатов испытаний на разницу износа при промежуточной температуре Условия проведения испытаний:Температура 480°С в атмосферном воздухе (после разового нагрева до 760°С)Поверхностное давление: 7 МПаАмплитуда: 1,0 (±0,5)Количество импульсов: 10⁶ Величина износа (микрон)Пористая наплавка из Стеллита 31190Стеллит 31 с заполнением из Cr₂O₃50Стеллит 31 с заполнением из Cr₂O₃ и Si5

Пористая структура обладает низким сопротивлением растяжению и может отслаиваться. Для решения этой проблемы структуру нагревают до высокой температуры с целью вызвать диффузию среди частиц при повышении прочности сцепления.

В таблице 2 приведены результаты испытаний на сопротивление растяжению.

[Таблица 2]Сопротивление растяжению МПаТолько нанесение покрытия электроразрядной обработкой32Дополнительная высокотемпературная термообработка99

В качестве одного из примеров можно указать, что когда слой, полученный с помощью электроразрядной обработки поверхности, подвергают нагреву/обработке при 1000°С в течение десяти минут или больше, происходит развитие диффузионного скрепления структуры покрытия при развитии уплотнения и упрочнения структуры.

[Примеры]

Далее будут описаны примеры реализации настоящего изобретения.

В качестве жаропрочного материала в настоящем изобретении в соответствии с примером будет описана лопатка турбины.

Таблица 3 является таблицей основных компонентов основного материала (Inconel 713LC) лопатки турбины, материала Т, наплавленного на скользящую поверхность путем сварки, и смазочного материала на основе Стеллита, который наносится материалом покрытия, нанесенного на скользящую поверхность путем электроразрядной обработки поверхности. Основной материал имеет низкое содержание Cr и Со, однако материал с большим содержанием этих элементов используется в наплавленном материале Т и смазочном материале на основе Стеллита. Наплавленный материал Т и смазочный материал на основе Стеллита соответствуют материалу 6, обладающему смазочными свойствами при высокой температуре.

[Таблица 3]Наименование материалаCrСоМоNiWInconel 713LC1204,5остальное-Наплавленный материал Т184929--Смазочный материал на основе Стеллита2556-107

В таблице 4 показана твердость по Виккерсу при комнатной температуре cBN и различных видов карбидов, которые являются жаропрочными твердыми материалами.

С другой стороны, основной материал, наплавленный материал Т и смазочный материал Стеллит из таблицы 3 обладают низкой твердостью по Виккерсу порядка 300-400. Кроме того, известно, что твердость быстро снижается при температуре 600°С или выше, и при высокой температуре в диапазоне 700-800°С твердость снижается примерно до половины ее значения при комнатной температуре.

[Таблица 4]Твердость по Виккерсу (при комнатной температуре)cBNTiCSiCCr₃С₂WCZrO₂450032002400228022001300

В таблице 5 показаны условия проведения испытаний на износ скользящей поверхности с целью подтверждения эффекта настоящего изобретения, и эти условия установлены близкими условиям эксплуатации настоящего реактивного двигателя.

[Таблица 5]ТемператураПоверхностное давлениеКоличество импульсовЧастота колебанийАмплитуда815°С7 МПа1×10⁷95 Гц0,35 мм

В таблице 6 показано сравнение результатов испытаний, и показаны испытываемые материалы и степень износа.

[Таблица 6]НомерУсловияВерхний испытательный образецНижний испытательный образец1Основные материалыInconel 713LCInconel 713LC2Смазочные наплавкиНаплавленный материал Т; наплавкаНаплавленный материал Т; наплавка3Твердое электроразрядное покрытие (EDC)(на основе керамики)Cr₃C₂+5%Ni; EDCCr₃C₂+5%Ni; EDC4Смазочное EDC (на основе Стеллита)Смазочный материал на основе Стеллита; EDCСмазочный материал на основе Стеллита; EDC5Твердое EDC и смазочные наплавкиCr₃C₂+5%Ni; EDCНаплавленный материал Т; наплавка6-1Твердое EDC (cBN)cBN (покрытие с плакированием Ni); EDCcBN (покрытие с плакированием Ni); EDC6-2Твердое EDC (TiC)TiC; EDCTiC; EDC7(Твердое +50%50% смазочное) EDCCr₃С₂+20%Cr+30%Со;Cr₃С₂+20%Cr+30%Со;  EDCEDC8(Твердое + смазочное) EDC50% cBN+20%Cr+30%Co; EDC50% cBN+20%Cr+30%Co; EDCНомерВеличина износа верхнего испытательного образцаВеличина износа нижнего испытательного образцаОценка1БольшойБольшойх2Чрезмерно малыйЧрезмерно малый© при больших издержках3БольшойБольшойх4НебольшойНебольшойо издержки средние, но существует возможность наплавки большой толщины и применимость на практике5Чрезмерно малыйЧрезмерно малый© при средних издержках6-1Чрезмерно малыйЧрезмерно малый© при небольших издержках6-2НебольшойНебольшой© издержки исключительно низкие7СреднийСреднийΔ8Чрезмерно малыйЧрезмерно малый© при небольших издержках

В этой таблице в случае вида обработки номер 1 оба материала являются основными материалами, износ исключительно большой и этот вид обработки применяться не может. Вид обработки номер 2 показывает обычный пример (наплавка), износ небольшой при больших издержках. Виды обработки номер 1 и 2 показывают известные примеры. Однако материал в значительной степени изнашивается при температуре 480°С. В таблице 6 «условия» обозначают два трущихся участка (поверхности), которые контактируют между собой, чтобы изнашиваться в ходе эксперимента.

Вид обработки номер 3 показывает пример, в котором твердый материал на керамической основе используется в качестве электрода, применяется электроразрядная обработка поверхности (описанная как электроразрядное нанесение покрытия (EDC) в таблице 6), и на противоположных поверхностях с целью уменьшения издержек образуются слои покрытия из твердого карбида хрома Cr₃C₂, обладающего высоким сопротивлением окислению. Здравый смысл позволяет предположить, что, если противоположные поверхности твердые, износ небольшой. Однако этот результат показывает, что износ чрезмерно большой просто за счет упрочнения, и эта обработка не может быть применена.

Вид обработки номер 4 показывает пример реализации настоящего изобретения, при котором на противоположные поверхности способом электроразрядной обработки поверхности, так же как и в случае 3, наносят материал на основе Стеллита с большим содержанием Cr и обладающий смазочными свойствами при высокой температуре. В этом случае можно видеть, что величина износа значительно снижается и вид обработки может быть применим.

Кроме того, верхний и нижний испытательные образцы подвергают электроразрядной обработке поверхности пористым смазочным материалом на основе Стеллита, а твердый смазочный материал, которым является оксид хрома (Cr₂О₃) или смесь оксида хрома (Cr₂O₃) и хрома, смешивают с мягким каучуком и заполняют им поры путем втирания. Соответственно, смазочные свойства могут быть улучшены даже при температуре 700°С или ниже. В данном случае пористость пористой структуры составляет 10% или больше.

В качестве примера можно указать, что, когда поры заполняются твердым смазочным материалом Cr₂О₃, имеются смазочные свойства, а материал не изнашивается вне зависимости от температуры. Когда твердый смазочный материал Cr₂О₃, смешанный с Si, заполняет поры, износ оказывается значительно слабым при температуре 480°С. Кремний Si окисляется с образованием SiO₂, a сжиженное стекло и твердый смазочный материал Cr₂O₃ создают синергический эффект.

С другой стороны, пористая структура обладает низким сопротивлением растяжению и может отслаиваться. Для решения этой проблемы структуру нагревают до высокой температуры с целью вызвать диффузию среди частиц при повышении прочности сцепления.

В качестве одного из примеров можно указать, что когда слои, полученные с помощью электроразрядной обработки поверхности, подвергают нагреву/обработке при 1000°С в течение десяти минут или больше, происходит развитие диффузионного скрепления покрытия при развитии уплотнения и упрочнения структуры.

Вид обработки номер 5 показывает другой пример реализации настоящего изобретения, при котором одну поверхность подвергают электроразрядной обработке поверхности очень твердым карбидом хрома (Cr₃С₂), а на другой поверхности способом наплавки наплавляют материал Т, имеющий смазочный материал. В результате было обнаружено, что величина износа равна или меньше, чем в случае вида обработки 2, а издержки можно уменьшить, отказавшись от наплавки в отношении одной поверхности.

Вид обработки номер 6-1 показывает другой пример реализации настоящего изобретения, при котором только твердый материал из cBN наносится на противоположные поверхности при электроразрядной обработке поверхности таким же образом, как в случае 3. При cBN, не обладающем смазочными свойствами, но исключительно твердом, наблюдается большой коэффициент трения и большие колебания времени скользящего движения, но видно, что величина износа значительно падает и этот вид обработки может применяться.

Вид обработки номер 6-2 показывает другой пример реализации настоящего изобретения, при котором только твердый материал из TiC наносится на противоположные поверхности при электроразрядной обработке поверхности таким же образом, как в случае 3. Хотя никакой смазочный материал не используется, коэффициент трения небольшой, а твердость довольно большая. Поэтому видно, что величина износа значительно падает и этот вид обработки может применяться. До сих пор считалось, что TiC окисляется при температуре 700°С или выше и не может применяться при высокой температуре. Однако в результате высокотемпературных испытаний на износ обнаружено, что при нанесении на основной материал покрытия из сплава Ni с TiC износ небольшой и сопротивление высокотемпературному износу превосходно даже при 1000°С. Кроме того, износ несколько выше при температуре 480°С.

В таблице 7 показана величина высокотемпературного износа с TiC.

[Таблица 7]Результаты испытаний на износИзнос в зависимости от температуры испытаний (поверхностное давление = 7 МПа, амплитуда = ±0,5 мм, частота = 40 Гц, количество импульсов = 10⁶)Базовый материал: Re77 (никелевый сплав) единица измерений: мкм°СRe77Наплавка наплавочного материала Т (толщина 1 мм)EDC TiC (толщина 0,03 мм)4804018155*1700 131781575013141000Довольно большой325Коэффициент трения0704От 0,1 до 0,2*1: Покрытие изношено и удалено

Виды обработки номер 7, 8 показывают другие примеры реализации настоящего изобретения, в которых смесь твердых материалов из твердого Cr₃С₂ и cBN, обладающая высоким сопротивлением окислению при высокой температуре, и Cr-содержащий материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, наносятся на противоположные поверхности при электроразрядной обработке поверхности таким же образом, как в случае 3. Хотя Cr₃С₂ в виде обработки номер 7 является твердым и содержит жаропрочный смазочный материал, материал изнашивается. Можно видеть, что cBN вида обработки номер 8 довольно твердый и также содержит жаропрочный смазочный материал, в результате чего величина износа в значительной степени падает, так что вид обработки применим.

Таким образом, поскольку использование обычного смазочного материала, предназначенного для использования при комнатной температуре, невозможно в высокотемпературной среде, меры, касающиеся сопротивления износу, недостаточны даже с электродом, содержащим только материал, обладающий прочностью. Обнаружено, что эффект противостояния износу может быть получен, когда материал, обладающий прочностью в высокотемпературной среде, в компонентах электрода для электроразрядной обработки поверхности содержит материал, способный демонстрировать смазочные свойства.

Следует отметить, что в описанных выше примерах испытаний описаны примеры электродов для электроразрядной обработки поверхности, смешанных с порошками Cr₃С₂+Cr+Со и cBN+Cr+Co, но любой материал также может использоваться до тех пор, пока материал, обладающий прочностью при высокой температуре, комбинируется с материалом, демонстрирующим смазочные свойства при высокой температуре.

Более того, Cr подмешивают к электроду для электроразрядной обработки поверхности в качестве материала, имеющего смазочные свойства при высокой температуре, в описанных выше примерах испытаний, но незачем и говорить, что вместо него могут быть подмешаны твердые смазочные материалы типа hBN. Подмешивание hBN непосредственно к электроду эффективно для смазки в диапазоне температур, при котором может использоваться обычная смазка, или выше и при температуре, при которой окисляется Cr или ниже. Когда Cr и hBN одновременно смешивают как материал для электрода для электроразрядной обработки, возможно образование слоя покрытия в широком диапазоне от сравнительно низкой температуры до высокой температуры, превышающей 700°С.

Кроме того, описано несколько примеров жаропрочных твердых материалов. Прежде всего Cr₃С₂ выполняет функцию заметного улучшения шероховатости поверхности образованного слоя покрытия по сравнению с использованием других материалов, и Cr₃С₂ предпочтительно используется в качестве жаропрочного твердого материала. Поскольку слой покрытия, образованный электроразрядной обработкой, образуется импульсным электрическим разрядом в диэлектрической жидкости, существует сильная тенденция к образованию выпуклой/вогнутой поверхности, но существует возможность ограничения шероховатости поверхности и сглаживания поверхности при использовании Cr₃С₂.

Как описано выше, в соответствии со способом и жаропрочным элементом согласно настоящему изобретению, когда скользящую поверхность подвергают электроразрядной обработке поверхности жаропрочным твердым материалом (4), твердость скользящей поверхности может быть улучшена. Когда скользящую поверхность подвергают электроразрядной обработке поверхности материалом (6), обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, могут быть улучшены смазочные свойства скользящей поверхности при высокой температуре. Кроме того, когда и жаропрочный твердый материал (4), и материал (6), обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, используются при электроразрядной обработке поверхности, могут быть одновременно улучшены и твердость, и смазочные свойства при высокой температуре.

Кроме того, при электроразрядной обработке поверхности сцепление слоя покрытия равно тому, которое получают наплавкой, точность размеров и качество стабилизируются, а пригодность к обработке оказывается выше, чем при наплавке или термическом напылении, и поэтому могут быть значительно снижены издержки производства.

Кроме того, этот вид обработки может быть легко применен к узким участкам в форме пазов, таким как сборочный участок, только за счет изменения формы электрода, чтобы сформировать слой покрытия электрическим разрядом.

Кроме того, когда в жаропрочном твердом материале (4) используется любой из числа cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃С₂, SiC, ZrC, VC, B₄C, Si₃N₄, ZrO₂ и Al₂О₃ или их смесь, может быть значительно улучшена твердость при высокой температуре скользящей поверхности жаропрочного элемента.

Кроме того, за счет использования материала, содержащего хром, и/или оксид хрома, и/или hBN, обладающего смазочными свойствами при высокой температуре, смазочные свойства показаны при высокой температуре и сопротивление износу может быть улучшено вплоть до достижения сопротивления, равного или превышающего это сопротивление, достигаемое в известных технических решениях.

Как описано выше, способ нанесения покрытия на скользящую поверхность жаропрочного элемента и жаропрочный элемент согласно настоящему изобретению позволяют получить превосходный результат, заключающийся в том, что износ небольшой даже при скользящем движении под высоким поверхностным давлением при высокой температуре, сцепление, точность размеров и пригодность к обработке скользящей поверхности улучшены, обработка электрическим разрядом контролируется с ЧПУ при возможности автоматизации.

Далее предпочтительные варианты реализации электродов для электроразрядной обработки поверхности согласно настоящему изобретению будут описаны подробно.

В настоящем изобретении для слоя покрытия, образованного на поверхности заготовки способом электроразрядной обработки поверхности, используется материал электрода, обладающий большой прочностью и смазочными свойствами даже в высокотемпературной среде. Конкретно жаропрочный твердый материал, обладающий высокой прочностью в высокотемпературной среде, выбранный из числа cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃С₂, карбида кремния (SiC), ZrC, VC, B₄C, Si₃N₄, оксида циркония (ZrO₂) и оксида алюминия (Al₂O₃), смешивают с жаропрочным смазочным материалом, который окисляется в высокотемпературной среде для обеспечения смазочных свойств, для образования материала электрода.

Как описано выше, в настоящем изобретении в первую очередь предпочтительно используют Cr в качестве материала, обладающего смазочными свойствами в высокотемпературной среде в настоящем изобретении. Это объясняется тем, что Cr₂O₃, полученный путем окисления Cr, приобретает смазочные свойства в высокотемпературной среде. Кроме того, существуют условия получения Cr₂О₃, обладающего смазочными свойствами, путем окисления Cr. В условиях, когда вокруг Cr имеется много Ni, Cr не превращается в Cr₂O₃, и поэтому в высокотемпературной среде не развиваются смазочные свойства. Более того, когда Cr окисляется с образованием Cr₂О₃, требуется температура 700°С или выше. Поскольку Cr, содержащийся в слое покрытия, не окисляется при более низкой температуре, невозможно ожидать эффекта, указывающего на наличие смазочных свойств. Поэтому получение смазочных свойств путем подмешивания Cr к электроду можно ожидать для участка (слоя), предназначенного для использования при высокой температуре. На фиг.10-13 приведены данные, подтверждающие этот факт. В отличие от этого обычная жидкая смазка испаряется в высокотемпературной среде при температуре 700°С или выше. Обычная синтетическая смазка разлагается под воздействием тепла и не может применяться, и поэтому смазочный эффект Cr₂О₃ имеет важное значение.

Далее будет описано согласно примеру использование в электроде для электроразрядной обработки поверхности cBN, который является жаропрочным твердым материалом, и Cr, который является жаропрочным смазочным материалом.

На фиг.17 приведена блок-схема, показывающая процедуру приготовления электрода для электроразрядной обработки поверхности согласно настоящему изобретению. Сначала cBN и Стеллит в порошке взвешивают, и смешивают в весовом соотношении 1:4 (операция S1), и загружают в пресс-форму (матрицу), имеющую определенную форму, и затем подвергают прессованию/формовке с целью получения не спеченной прессовки (операция S2). Следует отметить, что Стеллит является сплавом, содержащим Со и Cr, которые являются основными компонентами, и также содержит несколько других компонентов. Используется cBN с частицами диаметром от 2 до 4 мкм и Стеллит с частицами диаметром от 1 до 3 мкм.

На фиг.18 приведена схема, показывающая разрез формовочного блока для приготовления электрода для электроразрядной обработки поверхности. Нижний штамп 104 вставлен через нижнюю часть отверстия, образованного в пресс-форме (матрице) 105, а смесь смешанных порошка cBN 101 и порошка Стеллит 102 загружают в пространство, образуемое нижним штампом 104 и пресс-формой (матрицей) 105. Затем из верхней части отверстия, образованного в пресс-форме (матрице) 105, вставляют верхний штамп 103. Таким образом, производится прессование/формовка материала в блоке прессования, так что давление прикладывается с противоположных сторон верхним штампом 103 и нижним штампом 104 формовочного блока, заполненных смесью порошков cBN и Стеллит, и, соответственно, изготавливается электрод для электроразрядной обработки поверхности. Следует отметить, что в случае необходимости можно подвергнуть термообработке прессованную/формованную не спеченную прессовку (операция S3). Путем термообработки можно повысить прочность прессованного/формованного электрода.

При смешивании порошка cBN с порошком Стеллита в ходе описанной выше операции S1 возможно также подмешивание парафина. После подмешивания таким образом к порошку парафина материал прессуют/формуют, после чего улучшается формование не спеченной прессовки. Кроме того, парафин является изолирующим материалом. Поэтому, если в электроде остается большое количество парафина, электрическое сопротивление электрода возрастает, возможности получения электрического разряда ухудшаются, и поэтому оказывается необходимым удалить парафин. В качестве способа удаления парафина предлагается способ, при котором прессованная/формованная не спеченная прессовка электрода загружается в вакуумную печь и подвергается в ней нагреву. Соответственно парафин из не спеченной прессовки удаляется. Следует также отметить, что способ нагрева в вакуумной печи соответствует процессу, соответствующему операции S3. Когда материал нагревают так, как описано выше, прочность электрода возрастает.

На фиг.19 приведена схема, показывающая схему устройства для выполнения электроразрядной обработки поверхности способом согласно настоящему изобретению. Устройство для электроразрядной обработки поверхности включает электрод 21 для электроразрядной обработки поверхности, бак 24 для обработки, диэлектрическую жидкость 25, сопротивление 26, источник питания 27, выключатель 28 и цепь управления 29. Диэлектрическую жидкость 25, содержащую главным образом масло или воду, заливают в бак 24 для обработки и помещают туда заготовку 22, на которой должен быть образован слой покрытия. Электродом 21 для электроразрядной обработки поверхности является электрод, изготовленный в ходе описанных выше на фиг.17 операций и расположенный напротив верхней части заготовки 22. Электрод 21 для электроразрядной обработки поверхности соединен с заготовкой 22 через сопротивление 26, источник питания 27 и выключатель 28. Выключатель 28 включает напряжение и ток, приложенный к электроду 21 для электроразрядной обработки поверхности и заготовке 22. Выключатель 28 соединен с цепью управления 29, которая управляет включением и выключением выключателя 28. Следует отметить, что механизм привода, хотя он не показан, расположен на электроде 21 для электроразрядной обработки поверхности и баке 24 для обработки и предназначен для контроля положения слоя покрытия, образующегося на поверхности заготовки 22.

Когда между электродом 21 для электроразрядной обработки поверхности устройства для электроразрядной обработки поверхности и заготовкой 22 генерируется импульсный электрический разряд, материал, образующий электрод 21 для электроразрядной обработки поверхности, плавает в диэлектрической жидкости участка обработки под воздействием тепловой энергии. Плавающий материал, образующий электрод, или материал, полученный в результате реакции материала, образующего электрод под воздействием тепловой энергии, прилипает к поверхности заготовки 22, образуя слой покрытия 23. Таким образом слой покрытия 23 образуется на поверхности заготовки 22.

Следует отметить, что настоящее изобретение описано в соответствии с несколькими предпочтительными вариантами осуществления, но следует понимать, что объем настоящего изобретения не ограничивается этими вариантами осуществления. Наоборот, объем настоящего изобретения включает все улучшения, модификации и эквиваленты, включенные в прилагаемую формулу изобретения.

Изобретение относится к способу нанесения покрытия на скользящую поверхность жаропрочного элемента, жаропрочному элементу и электроду для электроразрядной обработки поверхности и может быть использовано при изготовлении и ремонте лопаток газовых турбин. Используют электрод из неспеченной прессовки из материала, обладающего смазочными свойствами при высокой температуре, или смеси из жаропрочного твердого материала и материала, обладающего смазочными свойствами при высокой температуре. Покрытие наносят путем генерирования импульсного электрического разряда между электродом и скользящей поверхностью и формируют слой покрытия из материала электрода или продукта реакции материала электрода со скользящей поверхностью с использованием энергии электрического разряда. Жаропрочным твердым материалом является любой из числа cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃С₂, SiC, ZrC, VC, B₄C, Si₃N₄, ZrO₂ и Al₂О₃ или их смесь. Материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, содержит хром, и/или оксид хрома (Cr₂О₃), и/или шестибористый нитрид (hBN). В результате получают слой покрытия, обладающий свойствами износостойкости и смазочными свойствами в высокотемпературной среде. 11 н. и 33 з.п. ф-лы, 19 ил., 7 табл.

1. Способ нанесения покрытия на скользящую поверхность жаропрочного элемента, включающий использование электрода из неспеченной прессовки из материала, обладающего смазочными свойствами при высокой температуре, или смеси из жаропрочного твердого материала и материала, обладающего смазочными свойствами при высокой температуре, генерирование импульсного электрического разряда между электродом и скользящей поверхностью и формирование слоя покрытия из материала электрода или продукта реакции материала электрода со скользящей поверхностью с использованием энергии электрического разряда.2. Способ по 1, включающий выполнение термообработки после выполнения электроразрядной обработки поверхности материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре.3. Способ по п.1, в котором материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, содержит хром, и/или оксид хрома (Cr₂О₃), и/или hBN.4. Способ по п.1, в котором материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, содержит 10% или более хрома и не содержит 20% или более никеля.5. Способ по 1, в котором жаропрочным твердым материалом является любой из числа cBN, TiC, TiN, TiAIN, TiB₂, WC, Cr₃С₂, SiC, ZrC, VC, B₄C, Si₃N₄, ZrO₂ и Al₂О₃ или их смесь.6. Способ нанесения покрытия на поверхности скольжения жаропрочного элемента, включающий электроразрядную обработку скользящей поверхности А, контактирующей с другим элементом в высокотемпературной среде, жаропрочным твердым материалом или материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, или смесью упомянутых материалов, путем генерирования импульсного электрического разряда между упомянутым электродом и жаропрочным элементом в жидком или газообразном диэлектрике, так что материал электрода или продукт реакции материала электрода со скользящей поверхностью образуют слой покрытия на упомянутой поверхности, и выполнение на скользящей поверхности В, которая упирается в скользящую поверхность А, наплавки, или термического напыления, или электроразрядной обработки поверхности материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре.7. Способ по 6, включающий выполнение термообработки после выполнения электроразрядной обработки поверхности материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре.8. Способ по п.6, в котором материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, содержит 10% или более хрома и не содержит 20% или более никеля.9. Способ по п.6, в котором материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, содержит хром и/или оксид хрома (Cr₂О₃) и/или hBN.10. Способ по 6, в котором жаропрочным твердым материалом является любой из числа cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃С₂, SiC, ZrC, VC, B₄C, Si₃N₄, ZrO₂ и Al₂О₃ или их смесь.11. Способ нанесения покрытия на поверхности скольжения жаропрочного элемента, включающий электроразрядную обработку скользящей поверхности А, контактирующей с другим элементом в высокотемпературной среде, жаропрочным твердым материалом или материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, или смесью упомянутых материалов, и выполнение на скользящей поверхности В, которая упирается в скользящую поверхность А, наплавки, или термического напыления, или электроразрядной обработки поверхности жаропрочным твердым материалом или материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, или смесью упомянутых материалов.12. Способ по 11, в котором жаропрочным твердым материалом является любой из числа cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃С₂, SiC, ZrC, VC, B₄C, Si₃N₄, ZrO₂ и Al₂О₃ или их смесь.13. Способ по 11, включающий выполнение термообработки после выполнения электроразрядной обработки поверхности материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре.14. Способ по п.11, в котором материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, содержит 10% или более хрома и не содержит 20% или более никеля.15. Способ по п.11, в котором материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, содержит хром, и/или оксид хрома (Cr₂O₃), и/или hBN.16. Способ нанесения покрытия на скользящую поверхность жаропрочного элемента, включающий выполнение на скользящей поверхности, которая контактирует с другим элементом в высокотемпературной среде, электроразрядной обработки поверхности пористым материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, и заполнение пор твердым смазочным материалом.17. Способ по 16, включающий выполнение термообработки после выполнения электроразрядной обработки поверхности материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре.18. Способ по п.16, в котором материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, содержит 10% или более хрома и не содержит 20% или более никеля.19. Способ по п.16, в котором материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, содержит хром, и/или оксид хрома (Cr₂О₃), и/или hBN.20. Способ по п.16, включающий смешивание твердого смазочного материала с летучим растворителем для заполнения пор твердым смазочным материалом путем нанесения материала щеткой, или смешивание твердого смазочного материала с мягким каучуком для заполнения пор втиранием.21. Способ по п.16, в котором твердым смазочным материалом является оксид хрома (Cr₂О₃) или смесь оксида хрома (Cr₂О₃) и кремния.22. Жаропрочный элемент со скользящей поверхностью, контактирующей с другим элементом в высокотемпературной среде, который контактирует с другим элементом в высокотемпературной среде, характеризующийся тем, что он имеет слой покрытия из материала электрода для электроразрядной обработки поверхности или продукта реакции материала электрода со скользящей поверхностью, полученный путем электроразрядной обработки поверхности с использованием электрода из неспеченной прессовки из материала, обладающего смазочными свойствами при высокой температуре, или смеси жаропрочного твердого материала и материала, обладающего смазочными свойствами при высокой температуре, и генерирования импульсного электрического разряда между электродом и скользящей поверхностью.23. Жаропрочный элемент по п.22, отличающийся тем, что он термически обработан с получением прочности на растяжение скользящей поверхности 40 МПа или больше после выполнения электроразрядной обработки его поверхности материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре.24. Жаропрочный элемент по п.22, в котором жаропрочным твердым материалом является любой из числа cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃С₂, SiC, ZrC, VC, B₄С, Si₃N₄, ZrO₂ и Al₂О₃ или их смесь.25. Жаропрочный элемент по п.22, в котором материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, содержит хром, и/или оксид хрома (Cr₂О₃), и/или hBN.26. Жаропрочный элемент с одной скользящей поверхностью, подвергнутой электроразрядной обработке жаропрочным твердым материалом или материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, или смесью упомянутых материалов, и контактирующей с другой скользящей поверхностью на другом элементе в условиях высокотемпературной среды, на которую наплавлен, или термически напылен, или нанесен электроразрядной обработкой материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре.27. Жаропрочный элемент по п.26, отличающийся тем, что он термически обработан с получением прочности на растяжение скользящей поверхности 40 МПа или больше после выполнения электроразрядной обработки его поверхности материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре.28. Жаропрочный элемент по п.26, в котором жаропрочным твердым материалом является любой из числа cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃С₂, SiC, ZrC, VC, B₄С, Si₃N₄, ZrO₂ и Al₂О₃ или их смесь.29. Жаропрочный элемент по п.26, в котором материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, содержит хром, и/или оксид хрома (Cr₂О₃), и/или hBN.30. Жаропрочный элемент с одной скользящей поверхностью, на которую нанесено покрытие из жаропрочного твердого материала или материала, обладающего смазочными свойствами при высокой температуре, или из смеси упомянутых материалов, и которая контактирует с другой скользящей поверхностью на другом элементе в условиях высокотемпературной среды, подвергнутой электроразрядной обработке жаропрочным твердым материалом или материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, или смесью упомянутых материалов.31. Жаропрочный элемент по п.30, отличающийся тем, что он термически обработан с получением прочности на растяжение скользящей поверхности 4G МПа или больше после выполнения электроразрядной обработки его поверхности материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре.32. Жаропрочный элемент по п.30, в котором жаропрочным твердым материалом является любой из числа cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃С₂, SiC, ZrC, VC, B₄C, Si₃N₄, ZrO₂ и Al₂О₃ или их смесь.33. Жаропрочный элемент по п.30, в котором материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, содержит хром, и/или оксид хрома (Cr₂О₃), и/или hBN.34. Жаропрочный элемент со скользящей поверхностью, контактирующей с другим элементом в высокотемпературной среде и подвергнутой электроразрядной обработке пористым материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре, с последующим заполнением пор твердым смазочным материалом.35. Жаропрочный элемент по п.34, отличающийся тем, что он термически обработан с получением прочности на растяжение скользящей поверхности 40 МПа или больше после выполнения электроразрядной обработки его поверхности материалом, обладающим смазочными свойствами при высокой температуре.36. Жаропрочный элемент по п.34, в котором твердым смазочным материалом является оксид хрома (Cr₂О₃) или смесь оксида хрома (Cr₂O₃) и кремния (Si).37. Жаропрочный элемент по п.34, в котором материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, содержит хром, и/или оксид хрома (Cr₂О₃), и/или hBN.38. Жаропрочный элемент по п.34, в котором материал, обладающий смазочными свойствами при высокой температуре, содержит 10% или более хрома и не содержит 20% или более никеля.39. Компонент газовой турбины или компонент осевого компрессора, содержащий жаропрочный элемент по любому из пп.22-38, и который является лопаткой ротора турбины, сегментом лопатки статора, сегментом лопатки статора компрессора, камерой сгорания газовой турбины, или стационарным компонентом турбины или камерой догорания.40. Электрод для электроразрядной обработки поверхности заготовки путем генерирования импульсного электрического разряда между электродом и заготовкой в жидком или газообразном диэлектрике для получения слоя покрытия на поверхности заготовки под воздействием энергии электрического разряда из материала электрода или продукта реакции материала электрода под воздействием энергии электрического разряда, характеризующийся тем, что он выполнен из неспеченной прессовки из смеси тонкого порошка жаропрочного твердого материала, обладающего большой твердостью при высокой температуре, и тонкого порошка жаропрочного смазочного материала, который окисляется при высокой температуре, приобретая смазочные свойства.41. Электрод по 40, в котором жаропрочный смазочный материал, который окисляется при высокой температуре для получения смазочных свойств, содержит хром.42. Электрод для электроразрядной обработки поверхности по п.40, в котором жаропрочный твердый материал содержит по меньшей мере один или более из числа cBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB₂, WC, Cr₃С₂, SiC, ZrC, VC, B₄C, Si₃N₄, ZrO₂ и Al₂O₃.43. Электрод для электроразрядной обработки поверхности заготовки для получения слоя покрытия на ее поверхности путем генерирования импульсного электрического разряда между электродом и заготовкой в жидком или газообразном диэлектрике из материала электрода или продукта реакции материала электрода под воздействием энергии электрического разряда, характеризующийся тем, что он выполнен из жаропрочного смазочного материала, который окисляется при высокой температуре, приобретая смазочные свойства.44. Электрод для электроразрядной обработки поверхности по п.43, в котором жаропрочный смазочный материал, который окисляется при высокой температуре для получения смазочных свойств, содержит хром.