СПОСОБ ИОННО-ИМПЛАНТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ МОНОКОЛЕСА КОМПРЕССОРА С ЛОПАТКАМИ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2019 года по МПК C23C14/48 C23C14/06 C23C14/16 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для упрочнения рабочих лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов.

Известен способ обработки лопаток газотурбинного двигателя, включающий ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами Cr, V, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинации. (Патент РФ №2533223. МПК С23С 14/06. Способ обработки лопатки газотурбинного двигателя. (Опубл.: 20.11.2014.) Ионную имплантацию проводят при энергии от 25 до 30 кэВ, дозой от 1,6⋅10¹⁷ см^-2 до 2⋅10¹⁷ см^-2 и со скоростью набора дозы от 0,7⋅10¹⁵ с^-1 до 1⋅10¹⁵ с^-1.

Известен также способ обработки деталей из титановых сплавов, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. (Патент РФ №2478140, МПК С23С 14/24, Способ получения ионно-плазменного покрытия на лопатках компрессора из титановых сплавов. Опубл. 27.03.2013). При этом ионную очистку проводят ионами аргона при энергии от 8 до 10 кэВ, плотности тока от 130 МкА/см² до 160 МкА/см² в течение от 0,3 до 1,0 часа, затем проводят ионную имплантацию ионами азота при энергии от 25 до 30 кэВ, дозой от 1,6⋅10¹⁷ см^-2 до 5⋅10¹⁷ см^-2, со скоростью набора дозы от 0,7⋅10¹⁵ с^-1 до 1⋅10¹⁵ с^-1.

Известен также способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. (Патент РФ №2116378, МПК С23С 14/48, Способ модификации поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана. Опубл. 1998 г.). При этом ионную очистку осуществляют ионами инертных газов аргона или ксенона с энергией 250-350 кВ, плотностью ионного тока 3-10 мА/см2, в течение времени более 3000 с, ионное легирование азотом проводят с энергией 30-50 мкА/см2, в течение 500-2500 с, а отжиг проводят при температуре 450-550°С и давлении остаточных газов 10-3-5⋅10-3 Па в течение 2-2,5 ч.

Основным недостатком аналогов способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей (предела выносливости, циклической долговечности). Это связано с недостаточно рациональными вариантами обработки поверхности деталей из сталей и сплавов при использовании методов ионно-имплантационного воздействия. При этом повышение указанных характеристик особенно важно для таких деталей как компрессорные лопатки газотурбинных двигателей (ГТД).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. (Патент РФ №2479667. МПК С23С 14/48. Способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов. Опубл.: 20.04.2013 г.) При этом ионную очистку проводят при энергии от 8 до 10 кэВ, плотности тока от 130 мкА/см² до 160 мкА/см² в течение от 0,3 до 1,0 ч, а ионно-имплантационную обработку поверхности детали проводят при энергии от 25 до 30 кэВ.

Основным недостатком этого способа (патент РФ №2479667) и вышеперечисленных аналогов (патенты РФ №№2533223, 2478140 и 2116378) является невозможность равномерной обработки рабочих поверхностей лопаток моноколес компрессора ГТД из титановых сплавов, в связи с наличием теневых участков, препятствующих проникновению ионов к обрабатываемой поверхности лопаток. Поэтому все вышеперечисленные способы не могут использоваться для упрочнения поверхности лопаток моноколеса, поскольку не могут обеспечить однородной обработки всей их рабочей поверхности.

Задачей настоящего изобретения является создание такого поверхностного слоя материала лопаток моноколеса из титановых сплавов, который позволил бы обеспечить их повышенные эксплуатационные характеристики (предела выносливости, циклической долговечности).

Техническим результатом заявляемого способа является повышение выносливости и циклической долговечности лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов за счет обеспечения их равномерной ионно-имплантационной обработки.

Технический результат достигается тем, что в способе ионно-имплантационной обработки моноколеса компрессора с лопатками из титановых сплавов, в отличие от прототипа, моноколесо устанавливают на валу держателя, помещают внутри вакуумной установки располагая одну из обрабатываемых лопаток моноколеса в рабочей зоне имплантора и производят ионно-имплантационную обработку лопаток моноколеса до получения заданной дозы имплантируемых ионов вращая моноколесо вокруг оси, проходящей через радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса и пересекающую направление движения потока имплантируемых ионов, затем поворачивают моноколесо вокруг своей продольной оси на один шаг для ввода следующей лопатки в зону имплантации и повторяют указанный цикл до полной обработки всех лопаток моноколеса, причем при вращении моноколеса вокруг оси, проходящей через радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса производят качающие движения моноколеса в плоскости, проходящей через его продольную ось и упомянутую радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки на угол, обеспечивающий обработку всей рабочей поверхности текущей лопатки, а ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки проводят ионами азота при энергии от 16 до 30 кэВ, дозой от 1,6⋅10¹⁷ ион/см² до 1,9⋅10¹⁷ ион/см²; обработку лопаток ведут при скоростях вращения относительно оси, проходящей через радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса с угловой скоростью от 2 об/мин до 10 об/мин при угле качания от 60 до 90 градусов и частоте качаний от 2 до 6 качаний за один его оборот относительно радиальной оси текущей обрабатываемой лопатки

Для оценки эксплуатационных свойств лопаток моноколес газовых турбин были проведены следующие испытания. Образцы из титановых сплавов ВТ6, ВТ8, ВТ8м, ВТ41, ВТ18у, ВТ31, ВТ9, ВТ22, ВТ25у, были подвергнуты ионно-имплантационной обработке как по способу-прототипу (согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам обработки (патент РФ №2479667, МПК С23С 14/48, 2013 г), так и по режимам предлагаемого способа. Испытания на выносливость и циклическую долговечность проводились на образцах - лопатках, вырезанных из моноколеса после его ионно-имплантационной обработки. За неудовлетворительный результат (Н.Р.) принимался результат, не обеспечивающий повышение эксплуатационных свойств лопаток по сравнению с прототипом.

Режимы обработки образцов по предлагаемому способу.

Ионная имплантация ионами азота: энергия - 14 кэВ (Н.Р.); 16 кэВ - удовлетворительный результат (У.Р.); 22 кэВ (У.Р.); 30 кэВ (У.Р.); 32 кэВ (Н.Р.); доза - 1,4⋅10¹⁷ ион/см² (Н.Р.); 1,6⋅10¹⁷ ион/см² (У.Р.); 1,8⋅10¹⁷ ион/см² (У.Р.); 1,9⋅10¹⁷ ион/см² (У.Р.); 2,1⋅1О¹⁷ ион/см² (Н.Р.).

Скорость вращения относительно оси, проходящей через радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса с угловой скоростью от 2 об/мин до 10 об/мин с угловой скоростью: 1 об/мин (Н.Р.); 2 об/мин (У.Р.); 4 об/мин (У.Р.); 8 об/мин (У.Р.); 10 об/мин (У.Р.); 12 об/мин (Н.Р.).

Угол качания: 50 градусов (Н.Р.); 60 градусов (У.Р.); 80 градусов (У.Р.); 90 градусов (У.Р.); 100 градусов (Н.Р.).

Частота качаний за один его оборот относительно радиальной оси текущей обрабатываемой лопатки.: 0 кач./об. (Н.Р.); 1 кач./об. (Н.Р.); 2 кач./об. (У.Р.); 4 кач./об.. (У.Р.); 6 кач./об. (У.Р.); 8 кач./об. (Н.Р.).

Ионную имплантацию проводили в непрерывном режиме. В качестве деталей из титановых сплавов использовались лопатки компрессора газотурбинного двигателя. Для ионно-имплантационной обработки использовали протяженный генератор газовой плазмы, выполненный с возможностью обеспечения работы с азотом и имеющим размеры выходной апертуры 600x100 мм.

Были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из титановых сплавов ВТ6, ВТ 18-У и ВТ9 на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости (σ_-1) образцов в исходном состоянии составляет 400 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу - 415 МПа, а по предлагаемому способу - 445-470 МПа.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе ионно-имплантационной обработки моноколеса компрессора с лопатками из титановых сплавов следующих приемов: устанавка моноколеса на валу держателя; помещение внутри вакуумной установки при расположении одной из обрабатываемых лопаток моноколеса в рабочей зоне имплантора; проведение ионно-имплантационной обработки лопаток моноколеса до получения заданной дозы имплантируемых ионов при вращении моноколеса вокруг оси, проходящей через радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса и пересекающую направление движения потока имплантируемых ионов; поворот моноколеса вокруг своей продольной оси на один шаг для ввода следующей лопатки в зону имплантации и повторение указанного цикла до полной обработки всех лопаток моноколеса; при вращении моноколеса вокруг оси, проходящей через радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса произведение качающих движений моноколеса в плоскости, проходящей через его продольную ось и упомянутую радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки на угол, обеспечивающий обработку всей рабочей поверхности текущей лопатки; проведение ионно-имплантационной обработки поверхности лопатки ионами азота при энергии от 16 до 30 кэВ, дозой от 1,6⋅10¹⁷ ион/см² до 1,9⋅10¹⁷ ион/см²; ведение обработки лопаток при скоростях вращения относительно оси, проходящей через радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса с угловой скоростью от 2 об/мин до 10 об/мин при угле качания от 60 до 90 градусов и частоте качаний от 2 до 6 качаний за один его оборот относительно радиальной оси текущей обрабатываемой лопатки, позволяет увеличить, по сравнению с прототипом, выносливость и циклическую прочность, что подтверждает заявленный технический результат предлагаемого изобретения - повышение предела выносливости и циклической долговечности обработанных деталей.

Изобретение относится к способу упрочнения рабочих лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении. Способ включает установку моноколеса на валу держателя, помещение его внутрь вакуумной установки при расположении одной из обрабатываемых лопаток моноколеса в рабочей зоне имплантора. После этого производят ионно-имплантационную обработку лопаток моноколеса. В процессе имплантации моноколесо вращают вокруг оси, проходящей через радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса и пересекающей направление движения потока имплантируемых ионов. Затем моноколесо поворачивают вокруг его продольной оси на один шаг для ввода следующей лопатки в зону имплантации и повторяют указанный цикл до полной обработки всех лопаток моноколеса. При вращении моноколеса вокруг оси, проходящей через радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса, производят качающие движения моноколеса в плоскости, проходящей через его продольную ось и упомянутую радиальную ось обрабатываемой лопатки на угол, обеспечивающий обработку всей рабочей поверхности текущей лопатки. Ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки проводят ионами азота при энергии от 16 до 30 кэВ, дозой от 1,6⋅10¹⁷ до 1,9⋅10¹⁷ ион/см². 1 з.п. ф-лы.

1. Способ ионно-имплантационной обработки моноколеса компрессора с лопатками из титановых сплавов, отличающийся тем, что моноколесо устанавливают на валу держателя внутри вакуумной установки, располагая одну из обрабатываемых лопаток моноколеса в рабочей зоне имплантора, и осуществляют ионно-имплантационную обработку лопаток моноколеса до получения заданной дозы имплантируемых ионов, при этом моноколесо вращают вокруг оси, проходящей через радиальную ось обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса и пересекающей направление движения потока имплантируемых ионов, затем поворачивают моноколесо вокруг его продольной оси на один шаг и вводят в зону имплантации следующую лопатку, причем указанный цикл повторяют до полной обработки всех лопаток моноколеса, при этом при вращении моноколеса вокруг оси, проходящей через радиальную ось обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса, осуществляют качающие движения моноколеса в плоскости, проходящей через его продольную ось и упомянутую радиальную ось обрабатываемой лопатки на угол, обеспечивающий обработку всей рабочей поверхности обрабатываемой лопатки, причем ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки проводят ионами азота при энергии от 16 до 30 кэВ, дозой от 1,6⋅10¹⁷ до 1,9⋅10¹⁷ион/см², скорости вращения относительно оси, проходящей через радиальную ось обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса, от 2 до 10 об./мин, при угле качания от 60 до 90 градусов и частоте качаний от 2 до 6 качаний за один его оборот относительно радиальной оси обрабатываемой лопатки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед ионно-имплантационной обработкой производят полирование лопаток моноколеса электрохимическим методом в водном растворе фторосодержащих солей концентрацией от 4 до 10% и приложением к моноколесу с лопатками электрического потенциала величиной от 320 до 340 В.