СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНОГО МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ НА ЛОПАТКИ МОНОКОЛЕСА ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА Российский патент 2019 года по МПК C23C14/48 C23C14/16 C23C14/24 F01D5/28 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов от эрозионного разрушения.

Известен способ ионно-плазменного нанесения защитных покрытий на детали турбомашин (патент США №9,765,635. МПК F01D 5/14. Erosion and corrosion resistant protective coatings for turbomachinery. Опубл. 2017 г). Покрытие образуется путем конденсации материала при ионной бомбардировке из металло-газообразного плазменного потока. Причем кинетическая энергия ионов осажденных металлов превышает 5 эВ.

Известен также способ вакуумного ионно-плазменного нанесения покрытий на подложку в среде инертного газа, включающий создание разности электрических потенциалов между подложкой и катодом и очистку поверхности подложки потоком ионов, снижение разности потенциалов и нанесение покрытия, проведение отжига покрытия путем повышения разности потенциалов, причем ионный поток и поток испаряемого материала, идущий от катода к подложке, экранируют, очистку проводят ионами инертного газа, после очистки экраны отводят и покрытие наносят в несколько этапов до получения требуемой толщины (Патент РФ 2192501, С23С 14/34, опубл. 10.11.2002).

Известен также способ нанесения ионно-плазменных покрытий на лопатки турбин, включающий последовательное осаждение в вакууме первого слоя из титана толщиной от 0,5 до 5,0 мкм, затем нанесение второго слоя нитрида титана толщиной 6 мкм (Патент РФ 2165475, МПК С23С 14/16, 30/00, С22С 19/05, 21/04, опубл. 20.04.2001).

Основным недостатком этих способов является недостаточно высокая эрозионной стойкости поверхности лопатки. Кроме того, при увеличении толщины покрытия (или каждого из слоев покрытия) происходит снижение адгезионной и усталостной прочности деталей с покрытиями, что ухудшает их ресурс и надежность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ нанесения эрозионностойких покрытий на лопатки блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов, включающий упрочняющую обработку пера лопатки с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия в виде заданного количества пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом (Патент РФ 2226227, МПК С23С 14/48, опубл. 27.03.2004).

Основным недостатком аналогов и прототипа является невозможность их использования для нанесения покрытий на лопатки моноколеса в результате образования «мертвых» зон, возникающих из-за затенения лопатками моноколеса друг друга, особенно в случае моноколес с широкохордными лопатками.

Задачей настоящего изобретения является создание такого многослойного покрытия, которое было бы способно эффективно защищать лопатки моноколес ГТД из титановых сплавов от эрозионного износа в условиях воздействия газовых потоков, содержащих абразивные частицы.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение стойкости лопаток моноколеса компрессора ГТД к эрозионному разрушению за счет обеспечения равномерного нанесения на лопатки эрозионностойкого покрытия.

Технический результат достигается за счет того, что в способе нанесения защитного многослойного покрытия на лопатки моноколеса из титанового сплава от пылеабразивной эрозии, включающем упрочняющую обработку материала поверхностного слоя лопаток моноколеса, которое размещают в камере установки, и последующее нанесение ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с ванадием и слоя соединений титана с ванадием и азотом, в отличие от прототипа, осуществляют нанесение ионно-плазменного многослойного покрытия на всю рабочую поверхность моноколеса, расположенного в камере, при этом моноколесо одновременно вращают относительно его продольной оси и его поперечной оси с одновременным приданием колебательных движений относительно его поперечной оси, причем нанесение титана и ванадия осуществляют одновременно посредством электродугового испарителя для титана и электродугового испарителя для ванадия.

Кроме того возможно использование следующих дополнительных приемов: при нанесении покрытия электродуговые испарители для титана и ванадия располагают напротив друг друга на цилиндрической стенке камеры установки; нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом осуществляют в режиме ассистирования ионами азота.; слой титана с ванадием наносят толщиной от 0,15-0,25 мкм, а слой соединения титана с ванадием и азотом -толщиной от 1,2-2,3 мкм с получением общей толщины покрытия от 7,0-11,0 мкм.

Для оценки эрозионной стойкости лопаток блиска были проведены следующие испытания. На образцы из титановых сплавов марок ВТ6, ВТ8, ВТ8 м, ВТ41, ВТ18у, ВТ31, ВТ9, ВТ22, ВТ25у были нанесены покрытия как по способу-прототипу (патент РФ 2226227, МПК С23С 14/48, опубл. 27.03.2004), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам нанесения, так и покрытия по предлагаемому способу.

Режимы нанесения покрытия по предлагаемому способу.

Нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляли: с двух, одновременно работающих электродуговых испарителей одного для ванадия, другого для титана. Расположение испарителей периферийное,на цилиндрической стенке камеры установки, напротив друг друга, в зоне расположения лопаток моноколеса. Моноколесо вращалосьодновременно вокруг собственной продольной оси и поперечной оси, совпадающей с продольной, вертикально расположенной осью цилиндрической камеры установки, с одновременным совершением колебательных движений. Скорость вращения блиска относительно собственной оси составляла от 6 до 12 об/мин. Колебательные движения составляли по 45° по обе стороны от вертикали. Нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляли в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом осуществляют в режиме ассистирования ионами азота.

Толщина слоя титана с ванадием: 0,1 мкм - неудовлеворительный результат (Н.Р.); 0,15 мкм - удовлетворительный результат (У.Р.); 0,25 мкм (У.Р.); 0,4 мкм (Н.Р.).

Толщина слоя соединений титана с ванадия и азотом (1,2 мкм до 2,3 мкм): 0,9 мкм (Н.Р.); 1,2 мкм (У.Р.); 1,5 мкм (У.Р.); 2,3 мкм (У.Р.); 2,6 мкм (Н.Р.).

Общая толщина покрытия (от 7,0 мкм до 11,0 мкм): 5,5 мкм (Н.Р.); 7,0 мкм (У.Р.); 9,0 мкм (У.Р.); 11,0 мкм (У.Р.); 13,0 мкм (Н.Р.).

Толщина покрытия, нанесенного по предлагаемому способу составляла от 7,0 мкм до 11,0 мкм, покрытия-прототипа от 0 мкм (в затененных зонах) до 11,0 мкм.

Эрозионная стойкость поверхности образцов исследовалась по методике ЦИАМ (Технический отчет ЦИАМ Экспериментальное исследование износостойкости вакуумных ионно-плазменных покрытий в запыленном потоке воздуха 10790, 1987. - 37 с.) на пескоструйной установке 12Г-53 струйно-эжекторного типа. Для обдува использовался молотый кварцевый песок с плотностью р=2650 кг/м³, твердость HV= 12000 МПа. Обдув производился при скорости воздушно-абразивного потока 195-210 м/с, температура потока 265-311 К, давление в приемной камере 0,115-0,122 МПа, время воздействия - 120 с, концентрация абразива в потоке до 2-3 г/м³. Результаты испытания показали, что эрозионная стойкость покрытий, полученных по предлагаемому способу, увеличилась по сравнению с покрытием-прототипом приблизительно в 5…6 раз.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе нанесения защитных покрытий на лопатки моноколеса из титановых сплавов следующих приемов: включающем упрочняющую обработку материала поверхностного слоя лопаток блиска с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом; при нанесении покрытия на лопатки, блиск одновременно вращают относительно его продольной оси и его поперечной оси с одновременным приданием блиску колебательных движений относительно его поперечной оси, обеспечивающих нанесение покрытия на всю рабочую поверхности блиска; использование в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом ванадия; нанесение титана и ванадия одновременно с электродугового испарителя для титана и электродугового испарителя для ванадия, а также использование следующих дополнительных приемов: электродуговые испарители для титана и ванадия расположены напротив друг друга на цилиндрической стенке камеры установки; нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом осуществляют в режиме ассистирования ионами азота; нанесение слоя титана с ванадием толщиной от 0,15 мкм до 0,25 мкм, а слоя соединений титана с ванадием и азотом толщиной от 1,2 мкм до 2,3 мкм при общей толщине многослойного покрытия от 7,0 мкм до 11,0 мкм, позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения - повысить стойкость лопаток моноколеса компрессора ГТД к эрозионному разрушению за счет обеспечения равномерного нанесения на них эрозионностойкого покрытия.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов от эрозионного разрушения. Способ включает упрочняющую обработку материала поверхностного слоя лопаток с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом. При нанесении покрытия на лопатки блиск одновременно вращают относительно его продольной оси и его поперечной оси с одновременным приданием блиску колебательных движений относительно его поперечной оси, обеспечивающих нанесение покрытия на всю рабочую поверхности блиска. В качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом используют ванадий. Нанесение титана и ванадия производят одновременно с электродугового испарителя для титана и электродугового испарителя для ванадия. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ нанесения защитного многослойного покрытия на лопатки моноколеса из титанового сплава от пылеабразивной эрозии, включающий упрочняющую обработку материала поверхностного слоя лопаток моноколеса, которое размещают в камере установки, и последующее нанесение ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с ванадием и слоя соединений титана с ванадием и азотом, отличающийся тем, что осуществляют нанесение ионно-плазменного многослойного покрытия на всю рабочую поверхность моноколеса, расположенного в камере, при этом моноколесо одновременно вращают относительно его продольной оси и его поперечной оси с одновременным приданием колебательных движений относительно его поперечной оси, причем нанесение титана и ванадия осуществляют одновременно посредством электродугового испарителя для титана и электродугового испарителя для ванадия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электродуговые испарители для титана и ванадия располагают напротив друг друга на цилиндрической стенке камеры установки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом осуществляют в режиме ассистирования ионами азота.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом осуществляют в режиме ассистирования ионами азота.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что слой титана с ванадием наносят толщиной от 0,15-0,25 мкм, а слой соединения титана с ванадием и азотом - толщиной от 1,2-2,3 мкм с получением общей толщины покрытия от 7,0-11,0 мкм.