СПОСОБ АЛЮМИНИРОВАНИЯ ИЗ ПАРОВОЙ ФАЗЫ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ДЕТАЛИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ДОНОРСКАЯ РУБАШКА И ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКУЮ РУБАШКУ Российский патент 2013 года по МПК C23C10/08 C23C14/16 F01D5/18 F01D5/28 F01D5/08 

Изобретение касается нанесения алюминиевого покрытия на металлическую деталь, в частности на полую металлическую деталь, содержащую внутреннюю рубашку. В частности изобретение касается применения такого покрытия на полых лопатках газотурбинного двигателя, содержащих рубашку для циркуляции охлаждающей текучей среды.

Газотурбинный двигатель, используемый для обеспечения полетов самолетов, содержит воздухозаборник для впуска атмосферного воздуха, сообщающийся с одним или несколькими компрессорами, один из которых является нагнетательным вентилятором, и которые приводятся во вращение вокруг одной оси. После сжатия первичный поток воздуха поступает в камеру сгорания, расположенную в виде кольца вокруг этой оси, и смешивается с топливом для получения горячих газов на выходе для одной или нескольких турбин, где газы расширяются, при этом роторы турбины вращают роторы компрессоров. Двигатели работают при температуре рабочих газов на входе турбины, которая должна быть максимально высокой, поскольку с ней связана производительность двигателя. Поэтому материалы выбирают таким образом, чтобы они могли выдерживать рабочие условия, и стенки деталей, обдуваемых горячими газами, таких как направляющие сопловые аппараты или подвижные лопатки турбины, оборудуют средствами охлаждения. Кроме того, поскольку детали выполнены из жаропрочного металлического сплава на основе никеля или кобальта, необходимо предохранять эти детали от эрозии или коррозии, вызываемой компонентами рабочих газов при высоких температурах.

Известным средством для обеспечения защиты этих деталей является нанесение покрытия на основе алюминия на поверхности, подвергающиеся воздействию газов. Алюминий сцепляется с подложкой за счет взаимной металлической диффузии и образует защитный поверхностный слой оксида. Толщина этого покрытия составляет около нескольких десятков микрон.

Настоящее изобретение касается известной технологии осаждения алюминия из паровой фазы, называемой также алюминированием путем осаждения из паровой фазы. Согласно этому способу обрабатываемые детали помещают в камеру, атмосфера которой содержит смесь инертного или восстанавливающего газа, например аргона или водорода, и активного газа, содержащего галогенид алюминия. При температуре реакции от 900°С до 1150°С галогенид алюминия разлагается на поверхности детали на газообразный галоген и алюминий, который диффундирует в металл.

Галогенид получают, помещая в камеру вместе с обрабатываемыми деталями металлические блоки алюминия или алюминиевого сплава, которые образуют донор, в присутствии гранул соединения галогена, хлора или фтора, которые образуют активатор. Инертный газ пропускают через активатор при температуре, обеспечивающей сублимацию галогена, который увлекается в сторону донора и с которым он реагирует для получения металлического галогенида, который при этой температуре находится в виде пара. После этого галогенид разлагается при контакте с металлической подложкой, предназначенной для нанесения на нее покрытия, обеспечивая осаждение алюминия. Газообразный галоген образуется вновь, т.е. восстанавливается.

Когда неподвижные и подвижные детали содержат внутренние полости, в которых циркулирует охлаждающая текучая среда, то есть воздух, отбираемый из компрессора, то отмечается, что стенки этих полостей тоже подвержены коррозии. При возврате деталей, использованных на двигателях, работавших в определенной окружающей среде, были обнаружены следы воздействия коррозии на их поверхности. Например, были обнаружены внутренняя коррозия направляющих сопловых аппаратов, выпадение коррозионных слоев в полости сопловых аппаратов, закупоривание вентиляционных отверстий задних кромок и т.д. Поэтому эти части деталей тоже нуждаются в защите.

Способ алюминирования путем осаждения из паровой фазы сам по себе представляет изначальный интерес для нанесения защитного покрытия, так как газ-носитель и активные компоненты могут проникать в узкие каналы циркуляции охлаждающей текучей среды, если только эти каналы являются открытыми. Однако в реальности дело обстоит иначе. Толщина защитного слоя не является однородной, она существенно уменьшается, начиная от отверстий доступа в полости. Кроме того, на уровне вентиляционных отверстий полостей образуются скопления, уменьшающие проходное сечение и ухудшающие охлаждение детали.

В патентной заявке FR 2830874, поданной на имя заявителя, описан способ алюминирования путем осаждения из паровой фазы металлических деталей газотурбинных двигателей, содержащих отверстия и полости, сообщающиеся с наружным пространством, согласно которому газообразное исходное вещество наносимого покрытия, содержащее алюминиевое соединение, поступает вместе с газом-носителем и входит в контакт с поверхностями детали, помещенной в камеру, при этом газом-носителем является либо гелий, либо аргон, и давление в камере регулируют таким образом, чтобы средний свободный пробег молекул газа-носителя в два раза превышал средний свободный пробег молекул аргона при атмосферном давлении. Средний свободный пробег молекул обычно определяют как соотношение 1/Р*D², где Р обозначает давление в камере, а D - диаметр молекул.

За счет удлинения среднего свободного пробега молекул газа-носителя диффузия галогенида во внутренних каналах усиливается, и толщина покрытия в зонах, менее доступных при применении классических методов, увеличивается, общая защита поверхности деталей улучшается. Увеличение среднего свободного пробега связано либо с выбором газа-носителя, в данном случае гелия, либо с уменьшением давления, что отражено в вышеуказанной формуле.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа, позволяющего обеспечить покрытие стенок внутренних полостей по всей поверхности и достаточной толщины.

Изобретение касается полых деталей с полостью и, по меньшей мере, одним отверстием, через которое полость сообщается с наружным пространством. В частности, оно касается деталей, оборудованных внутренней рубашкой внутри полости, вводимой через отверстие и соединяемой с деталью. Такая деталь показана на фиг.1. В данном случае в разрезе показан направляющий сопловой аппарат ступени низкого давления в двухконтурном газотурбинном двигателе. Лопатка 1 направляющего аппарата содержит часть, выполненную путем литья металла в оболочковую литейную форму. Эта часть на чертеже заштрихована в виде полой лопасти 2 между двумя площадками 3 и 4. Полость лопасти 2 сообщается на своих двух концах: с одной стороны - с отверстием 5 подачи охлаждающей текучей среды и с другой стороны - с выходом 6 текучей среды, соответственно. Внутри полости лопасти 2 находится рубашка 9 по существу цилиндрической формы. Рубашка закреплена сваркой или пайкой со стороны отверстия 5 подачи охлаждающего воздуха путем выполнения периферического сварного/паяного шва вдоль края отверстия полости. Другой конец рубашки заходит в цилиндрическое гнездо, сообщающееся с выходом 6, но не приваривается к нему, чтобы обеспечивать относительное расширение рубашки по отношению к лопасти во время переходных этапов работы. Рубашка перфорирована по длине и образует пространство с внутренней стенкой лопасти таким образом, чтобы охлаждающий воздух, поступающий через отверстие 5 подачи воздуха, частично проходил через отверстия перфорации рубашки и образовывал множество воздушных струй, охлаждающих стенку лопасти путем обдувания и за счет конвекции. Затем воздух удаляется через вентиляционные отверстия, выполненные вблизи задней кромки лопасти. Воздух, который не прошел через стенку рубашки, направляется к отверстию 6 и затем проходит к другим частям машины.

Во время изготовления рубашку 9, выполненную отдельно от лопасти, соединяют с лопастью, вводя ее скольжением через отверстие 5, затем закрепляют пайкой вблизи устья отверстия, как было указано выше. Часть, которая на чертеже является нижней, остается свободной и может расширяться и перемещаться скольжением в гнезде, образованном отверстием 6.

Как известно, обработку такой детали алюминированием производят после ее сборки.

Согласно изобретению осаждение алюминида внутри полости существенно улучшается благодаря применению следующего способа, который может быть использован для любой детали, содержащей компонент, который можно ввести скольжением через отверстие и соединить внутри детали.

Способ алюминирования путем осаждения из паровой фазы для защиты от термического окисления полой металлической детали газотурбинного двигателя, которая содержит полость, в которую вводят и соединяют металлический компонент через отверстие в детали, заключается в том, что получают галогенид путем реакции между галогеном и металлическим донором, содержащим алюминий, затем галогенид переносится газом-носителем и входит в контакт с упомянутой металлической деталью.

Способ характеризуется тем, что перед применением способа металлический компонент предварительно обогащают по поверхности алюминием, чтобы он мог выполнять функцию донора алюминия.

Вводя донор в виде компонента, обогащенного по поверхности, внутрь полости, обеспечивают эффективное осаждение. В частности, решается проблема доступности внутрь детали снаружи и контролируется количество вводимого внутрь донора.

Предпочтительно компонент покрывают слоем путем осаждения металла. Это покрытие можно выполнить любым доступным специалисту способом: алюминирование путем осаждения из паровой фазы (APVS или CVD); алюминирование путем пакетной цементации; вакуумное осаждение (PVD); термическое осаждение; электролитическое осаждение; нанесение покрытия путем погружения в ванну и т.д.

В частности, количество донора регулируют в зависимости от толщины слоя, которая составляет, например, от 10 до 150 мкм, предпочтительно от 20 до 90 мкм.

Слой содержит, по меньшей мере, 15 мас.% алюминия, но при этом может содержать также, по меньшей мере, один элемент, известный своей способностью повышать стойкость к окислению и входящий в следующую группу (Cr, Hf, Y, Zr, Si, Ti, Ta, Pt, Pd, Ir), в частности, элемент Cr.

Как было указано выше, способ предпочтительно применяют для обработки алюминированием полой лопатки газотурбинного двигателя. В этом случае упомянутым компонентом является перфорированная рубашка для циркуляции охлаждающей текучей среды внутри полости.

Лопатка является лопаткой направляющего соплового аппарата с лопастью, содержащей полость, и внутри полости - рубашку. После обогащения донорским металлом рубашку вводят через отверстие, выполненное на одном конце лопасти. После этого рубашку одним концом крепят сваркой на стенке лопасти со стороны отверстия для ввода рубашки в полость. Рубашку выполняют, например, из сплава на основе кобальта, который обладает механическими свойствами стойкости к вибрациям и к трению.

Применение рубашки-донора алюминия представляет особый интерес, поскольку за счет этого существенно улучшается качество внутреннего покрытия полостей лопаток, и при этом известный процесс алюминирования из газовой фазы не меняется. Лопатку и донорскую рубашку соединяют практически так же, как и лопатку с рубашкой без алюминиевого покрытия, единственным изменением является зона пайки, которая, предпочтительно, должна оставаться без покрытия, а затем осуществляют классическое алюминирование.

Лопатки, содержащие донорскую рубашку, могут быть лопатками направляющего соплового аппарата для ступеней высокого давления турбины газотурбинного двигателя или для ступеней низкого давления турбины такого двигателя.

Далее следует описание неограничительного варианта выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1 изображает лопатку направляющего соплового аппарата с внутренней полостью и рубашкой для циркуляции охлаждающего воздуха, соединенной с этой полостью, согласно изобретению;

фиг. 2 - известную установку для алюминирования, в которой используют способ в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 3 - диаграмму толщины внутреннего слоя, наносимого при помощи известного способа и при помощи способа согласно изобретению.

На фиг. 2 схематично показана известная установка для алюминирования путем осаждения из паровой фазы, в которой используют способ в соответствии с настоящим изобретением.

Камеру 12 устанавливают внутрь печи 4, выполненной с возможностью нагрева деталей до температуры 1200°С. В этой камере размещают контейнеры 16, в данном случае три расположенных друг над другом контейнера с крышкой 16'. Контейнеры содержат предназначенные для обработки детали Р, например, турбинные направляющие сопловые аппараты, металлический донор D в виде порошка или блоков и активатор А. Камера 12 содержит подвод 18 продувочного газа-носителя, подвод 19 газа-носителя для обдувки и выход 20, управляемый вентилем 21.

После размещения деталей, донора и активатора в контейнерах 16 начинают продувку камеры 12, нагнетая в нее газ-носитель, например аргон, через трубопровод 18. Когда аргон полностью замещает воздух в камере, его подачу прекращают. После этого начинают нагрев печи, продолжая подавать в камеру аргон через трубопровод 19. Избыток газа удаляется через трубопровод 20. При температуре активации активатора А галоген, хлор или фтор высвобождается. Входя в контакт с донором, галоген реагирует с металлом и образует галогенид. Полученный, таким образом, пар галогенида циркулирует внутри контейнеров 16 и входит в контакт с металлическими деталями Р. В этот момент галогенид разлагается и высвобождает металл, который осаждается на детали.

Аргон непрерывно подают в камеру 12 путем легкой обдувки через трубопровод 19 и удаляют через трубопровод 29. Продолжительность обработки составляет от 2 до 6 часов.

Согласно изобретению донор вводят в полость, используя в качестве донора рубашку.

Перед началом обработки путем алюминирования готовят деталь, соединяя рубашку, обогащенную алюминием, с деталью, выполненной путем литья. Рубашку вводят через канал 5 подачи воздуха для охлаждения лопасти. После этого верхний край 9' рубашки 9 крепят пайкой к стенке отверстия в лопасти.

Обогащение рубашки алюминием осуществляют любым известным способом. В качестве способа нанесения покрытия на рубашку можно использовать способ, описанный выше (алюминирование в паровой фазе), при этом рубашками заменяют обрабатываемые детали Р в камере 12 печи APVS 4.

Таким образом, сама рубашка проходит предварительную обработку алюминированием в паровой фазе для получения слоя покрытия по всей поверхности. Толщину слоя определяют таким образом, чтобы получить достаточное количество алюминия для реакции с галогеном и получить галогенид в паровой фазе во время операции алюминирования детали. Поскольку донор находится близко от обрабатываемых поверхностей, получаемое покрытие имеет более высокое качество, чем полученное известным способом.

Преимуществом этого решения по сравнению с другим решением, согласно которому контейнер-донор размещается внутри полости, является возможность обработки детали в уже собранном виде. Применение контейнера на промежуточном этапе вынудило бы обрабатывать деталь без рубашки, затем устанавливать рубашку на деталь, стенки которой покрыты алюминиевым слоем, что требует специальной адаптации средств пайки.

Кроме того, нет необходимости разрабатывать специальную технологию очистки внутреннего пространства полости от остатков донора.

На фиг. 3 на оси ординат показано распределение толщины покрытия, нанесенного на стенки полости. Кривая А, соответствующая известному способу, показывает, что покрытие очень плохо распределяется между передней кромкой и задней кромкой одновременно вдоль корытца и спинки. Кривая В показывает толщину покрытия, полученного при помощи донорской рубашки. Оно является более однородным и не имеет нулевых участков. Зона С показывает наружное покрытие.

Изобретение относится к нанесению алюминиевого покрытия на металлическую деталь, а именно на полую деталь, содержащую внутреннюю рубашку, а также к рубашке для циркуляции охлаждающего воздуха, алюминированной полой лопатке газотурбинного двигателя и направляющему сопловому аппарату газотурбинного двигателя. Способ алюминирования путем осаждения из паровой фазы полой лопатки газотурбинного двигателя включает получение галогенида путем реакции между галогенидом и металлическим донором, содержащим алюминий, затем галогенид переносится газом-носителем и входит в контакт с полой лопаткой. Полая лопатка содержит отверстие для подачи воздуха для охлаждения и металлическую рубашку, соединенную с полой лопаткой путем прикрепления к стенке лопасти со стороны отверстия для размещения рубашки в полости. В качестве металлического донора используют металлическую рубашку, которую предварительно покрывают слоем, содержащим по меньшей мере 15 мас.% алюминия. Получается покрытие стенок внутренних полостей по всей поверхности и достаточной толщины, предохраняющее детали от эрозии и коррозии, вызываемой компонентами рабочих газов при высоких температурах. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ алюминирования путем осаждения из паровой фазы полой лопатки газотурбинного двигателя, включающий получение галогенида путем реакции между галогенидом и металлическим донором, содержащим алюминий, затем галогенид газом-носителем переносят для вхождения в контакт с полой лопаткой, причем полая лопатка содержит отверстие для подачи воздуха для охлаждения и металлическую рубашку, соединенную с полой лопаткой путем прикрепления к стенке лопасти со стороны отверстия для размещения рубашки в полости, отличающийся тем, что в качестве металлического донора используют металлическую рубашку, которую предварительно покрывают слоем, содержащим по меньшей мере 15 мас.% алюминия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлическую рубашку покрывают слоем, получаемым путем осаждения металла.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что нанесение металла на металлическую рубашку осуществляют методом, выбранным из группы, состоящей из CVD, PVD, алюминирования путем цементации в упаковке, термического осаждения, электролитического осаждения, нанесения покрытия путем погружения в ванну.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что толщина слоя составляет от 10 до 150 мкм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщина слоя составляет от 20 до 90 мкм.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой дополнительно содержит по меньшей мере один элемент для повышения стойкости к окислению, выбранный из группы, состоящей из Cr, Hf, Y, Zr, Si, Ti, Та, Pt, Pd, Ir.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что лопатка является лопаткой направляющего соплового аппарата.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что после обогащения металлом рубашку вводят в полость через отверстие для подачи, выполненное на конце лопасти.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что рубашку одним концом прикрепляют сваркой или пайкой к стенке лопасти со стороны отверстия ввода рубашки в полость.

10. Рубашка для циркуляции охлаждающего воздуха, используемая в качестве металлического донора для алюминирования полой лопатки газотурбинного двигателя, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, частично она покрыта слоем, содержащим по меньшей мере 15 мас.% алюминия.

11. Рубашка по п.10, отличающаяся тем, что толщина слоя алюминия составляет от 10 до 150 мкм и предпочтительно от 20 до 90 мкм.

12. Алюминированная полая лопатка газотурбинного двигателя, содержащая внутреннюю рубашку для циркуляции охлаждающего воздуха по любому из пп.10 и 11.

13. Направляющий сопловой аппарат газотурбинного двигателя, содержащий алюминированную полую лопатку по п.12.