Способ защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии Российский патент 2022 года по МПК C23C28/00 C23C14/16 C23C14/24 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов от эрозионного разрушения при одновременном повышении выносливости и циклической долговечности.

Известен 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, C23C 14/34, 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 C23C 14/16, 30/00, C22C 19/05, 21/04, 20.04.2001).

Основным недостатком этого способа является недостаточно высокая эрозионная стойкость поверхности пера 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.

Рабочие лопатки компрессора ГТД и ГТУ, в процессе эксплуатации, подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, а также коррозионному и эрозионному разрушению. Исходя из предъявляемых к эксплуатационным свойствам требований, для изготовления лопаток компрессора газовых турбин применяются титановые сплавы, которые по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость (например, титановые сплавы марок ВТ6, ВТ8, ВТ18У, ВТ3-1, ВТ22 и др.)

Однако лопатки турбин из указанных сплавов обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения. Поэтому дефекты, образующиеся в процессе изготовления этих деталей, недопустимы, поскольку вызывают возникновение интенсивных процессов разрушения. Это вызывает проблемы при механической обработке поверхностей деталей турбомашин. В этой связи развитие способов получения высококачественных поверхностей деталей турбомашин является весьма актуальной задачей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии, включающий полирование и ионно-имплантационную обработку пера лопатки с последующим нанесением на перо лопатки 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 C23C 14/48, 27.03.2004).

Основным недостатком аналога является недостаточная надежность защиты от эрозионного разрушения при одновременном снижении предела выносливости, циклической долговечности. При этом повышение указанных свойств особенно важно для таких деталей из титановых сплавов, как компрессорные лопатки газотурбинных двигателей (ГТД).

Задачей настоящего изобретения является создание такого многослойного покрытия, которое было бы способно эффективно защищать лопатки из титановых сплавов от эрозионного износа в условиях воздействия газовых потоков, содержащих абразивные частицы, при одновременном повышении предела выносливости и циклической долговечности защищаемых деталей.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение стойкости лопаток компрессора ГТД к эрозионному разрушению при при обеспечении заданной выносливости и циклической долговечности защищаемых деталей.

Технический результат достигается тем, что в способе защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии, включающем полирование и ионно-имплантационную обработку пера лопатки с последующим нанесением на перо лопатки ионно-плазменного многослойного покрытия в виде заданного количества пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом, в отличие от прототипа, ионно-имплантационную обработку лопаток проводят ионами азота при энергии от 20 до 26 кэВ, дозой от 1,5·10¹⁷ до 2,3·10¹⁷ см^-2, покрытие наносят с соотношением титана к ванадию в слоях, мас.%: V от 14 до 28, остальное - Ti, причем слой титана с ванадием наносят толщиной от 0,2 до 0,4 мкм, а слой соединений титана с ванадием и азотом наносят толщиной от 0,9 до 2,1 мкм при общей толщине многослойного покрытия от 6,0 до 15,0 мкм.

Технический результат достигается также тем, что в способе защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии возможно использование следующих вариантов: полирование поверхности пера лопатки ведут электролитно-плазменным методом путем приложения к нему электрического потенциала от 280 до 300 В, при температуре от 70 до 90°С, при величине тока от 0,4 до 0,6 А/см². используя в качестве электролита водный раствор с содержанием от 3 до 7 мас.% гидроксиламина солянокислого и содержанием от 0,7 до 0,8 мас.% NaF или KF; нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют с использованием, по крайней мере двух, одновременно работающих раздельных электродуговых испарителей, один из которых выполнен из ванадия, а другой - из титана, причем упомянутые электродуговые испарители располагают в периферийной части цилиндрической рабочей камеры ионно-плазменной установки, а лопатки компрессора вращают одновременно вокруг собственной оси и относительно оси рабочей камеры установки и перемещают относительно электродуговых испарителей, при этом скорость вращения лопаток компрессора относительно собственной оси составляет от 8 до 40 об/мин, а относительно оси камеры установки - от 2 до 8 об/мин; 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; перед полированием проводят упрочняющую обработку лопаток виброабразивным шлифованием.

Для оценки стойкости лопаток газовых турбин к их сопротивлению эрозионному износу 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 C23C 14/48, 27.03.2004), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам нанесения, так и покрытия по предлагаемому способу.

Режимы обработки образцов и нанесения покрытия по предлагаемому способу.

Электролитно-плазменное полирование: электрический потенциал от 280 В до 300 В: 270 В - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 280 В - удовлетворительный результат (У.Р.); 2900 В - (У.Р.); 300 В - (У.Р.); 310 В (Н.Р.); электролиты: от 3% до 7% гидроксиламина солянокислого (2% - (Н.Р.); 3%- (У.Р.); 5% - (У.Р.); 7%- (У.Р.); 8% - (Н.Р.); и содержанием от 0,7 до 0,8 мас.% NaF или KF, при содержании, NaF мас.%: (0,6 % - (Н.Р.); 0,7 % - (У.Р.); 0,8 %- (У.Р.); 0,9 % - (Н.Р.)) KF мас.%: (0,6 % - (Н.Р.); 0,7 % - (У.Р.); 0,8 %- (У.Р.); 0,9 % - (Н.Р.))

Процесс электролитно-плазменного полирования деталей из титана и титановых сплавов осуществляется следующим образом. Обрабатываемую деталь из титана или титанового сплава погружают в ванну с водным раствором электролита, прикладывают к изделию положительный электрический потенциал, а к электролиту - отрицательный, в результате чего достигают возникновения разряда между обрабатываемым изделием и электролитом. Процесс электролитно-плазменного полирования осуществляют при электрическом потенциале от 280 В до 300 В, а в качестве электролита используют водный раствор с содержанием от 3 до 7 мас.% гидроксиламина солянокислого и содержанием от 0,7 до 0,8 мас.% NaF или KF. Полирование, в зависимости от параметров детали и заданной микрогеометрии поверхности, ведут при величине тока от 0,2 А/дм² до 0,5 А/дм², при температуре от 70°C до 90°C, в течение от 0,8 до 7 мин. Полируемой деталью может быть лопатка турбомашины. Для повышения качества обработки в состав электролита могут быть дополнительно введены поверхностно-активные вещества в концентрации 0,4-0,8% или 0,3-0,8% TiF₄. Перед полированием детали в электролите по режимам обработки детали из титана или титановых сплавов обрабатывают вспомогательные элементы из титана или титанового сплава со смывом образовавшегося осадка в электролит, причем обработку вспомогательных элементов ведут до стабилизации процесса полирования.

Ионная имплантация ионами азота: энергия 18 кэВ (Н.Р.); 20 кэВ (У.Р.); 22 кэВ (У.Р.); 24 кэВ (У.Р.); 26 кэВ (У.Р.); 29 кэВ (Н.Р.); доза - 1,3·10¹⁷ см^-2 (Н.Р.); 1,5·10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 1,8·10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 2,1·10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 2,3·10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 2,5·10¹⁷ см^-2 (Н.Р.);

Нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляли: с из двух и из четырех, поочередно или одновременно работающих раздельных электродуговых испарителей. Расположение испарителей - периферийное, с чередованием электродугового испарителя из ванадия с испарителем из титана. Электродуговые испарители располагались в периферийной части цилиндрической рабочей камеры ионно-плазменной установки, а лопатки компрессора вращались одновременно вокруг собственной оси и относительно оси рабочей камеры установки, обеспечивая перемещение вращающихся относительно своей оси лопаток относительно электродуговых испарителей. Скорость вращения лопаток компрессора относительно собственной оси составляла (от 8 до 40 об/мин): 6 об/мин (Н.Р.); 8 об/мин (У.Р.); 20 об/мин (У.Р.); 40 об/мин (У.Р.); 50 об/мин (Н.Р.). Вращение лопаток относительно оси камеры установки составляло (от 2 до 8 об/мин): 1 об/мин (Н.Р.); 2 об/мин (У.Р.); 4 об/мин (У.Р.); 8 об/мин (У.Р.); 12 об/мин (Н.Р.). 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 (0,2 мкм до 0,4 мкм): 0,1 мкм (Н.Р.); 0,2 мкм (У.Р.); 0,3 мкм (У.Р.); 0,4 мкм (У.Р.); 0,5 мкм (Н.Р.). Толщина слоя соединений титана с ванадия и азотом (0,9 мкм до 2,1 мкм): 0,7 мкм (Н.Р.); 0,9 мкм (У.Р.); 1,5 мкм (У.Р.); 2,1 мкм (У.Р.); 2,3 мкм (Н.Р.). Общая толщина покрытия (от 6,0 мкм до 15,0 мкм): 5,0 мкм (Н.Р.); 6,0 мкм (У.Р.); 7,0 мкм (У.Р.); 10,0 мкм (У.Р.); 12,0 мкм (У.Р.); 15,0 мкм (У.Р.); 18,0 мкм (Н.Р.).

Общая толщина покрытия-прототипа и покрытия, нанесенного по предлагаемому способу, составляла от 6 мкм до 15 мкм.

Ионную имплантацию проводили как в импульсном, так и непрерывном режимах. В качестве деталей из титановых сплавов использовались лопатки компрессора газотурбинного двигателя и лопатки газотурбинной установки.

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 10…11 раз.

Кроме того, были проведены испытания на выносливость и циклическую долговечность образцов из вышеприведенных марок титановых сплавов (ВТ6, ВТ8, ВТ8 м, ВТ41, ВТ18у, ВТ31, ВТ9, ВТ22, ВТ25у) на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости (-1) образцов в исходном состоянии (без покрытия) составляет 470-490 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу - 460-470 МПа, а по предлагаемому способу - 490-510 МПа.

Таким образом, предложенный способ защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии позволяет увеличить, по сравнению с прототипом, эрозионную стойкость лопаток из титановых сплавов, что подтверждает заявленный технический результат предлагаемого изобретения - повышение стойкости лопаток компрессора ГТД к эрозионному разрушению при обеспечении заданной выносливости и циклической долговечности защищаемых деталей.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера лопатки компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии. Способ включает упрочняющую обработку, полирование и ионно-имплантационную обработку пера лопатки с последующим нанесением на перо лопатки ионно-плазменного многослойного покрытия в виде заданного количества пар слоев в виде слоя титана с ванадием и слоя соединений титана с ванадием и азотом. Ионно-имплантационную обработку пера лопатки проводят ионами азота с энергией от 20 до 26 кэВ и дозой от 1,5·10¹⁷ до 2,3·10¹⁷ см^-2, ионно-плазменное многослойное покрытие наносят с соотношением титана к ванадию в слоях, мас.%: V от 14 до 28, остальное – Ti. Слой титана с ванадием наносят толщиной от 0,2 до 0,4 мкм. Слой соединений титана с ванадием и азотом наносят толщиной от 0,9 до 2,1 мкм при общей толщине многослойного покрытия от 6,0 до 15,0 мкм. Повышается стойкость лопаток компрессора ГТД к эрозионному разрушению при обеспечении заданной выносливости и циклической долговечности защищаемых деталей. 5 з.п. ф-лы.

1. Способ защиты пера лопатки компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии, включающий упрочняющую обработку, полирование и ионно-имплантационную обработку пера лопатки с последующим нанесением на перо лопатки ионно-плазменного многослойного покрытия в виде заданного количества пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом, отличающийся тем, что ионно-имплантационную обработку пера лопатки проводят ионами азота с энергией от 20 до 26 кэВ и дозой от 1,5·10¹⁷ до 2,3·10¹⁷ см^-2, ионно-плазменное многослойное покрытие наносят с соотношением титана к ванадию в слоях, мас.%: V от 14 до 28, остальное - Ti, причем слой титана с ванадием наносят толщиной от 0,2 до 0,4 мкм, а слой соединений титана с ванадием и азотом наносят толщиной от 0,9 до 2,1 мкм при общей толщине многослойного покрытия от 6,0 до 15,0 мкм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полирование поверхности пера лопатки ведут электролитно-плазменным методом путем приложения к нему электрического потенциала от 280 до 300 В, при температуре от 70 до 90°С, при величине тока от 0,4 до 0,6 А/см², используя в качестве электролита водный раствор с содержанием от 3 до 7 мас.% гидроксиламина солянокислого и содержанием от 0,7 до 0,8 мас.% NaF или KF.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют с использованием по крайней мере двух одновременно работающих раздельных электродуговых испарителей, один из которых выполнен из ванадия, а другой - из титана, причем упомянутые электродуговые испарители располагают в периферийной части цилиндрической рабочей камеры ионно-плазменной установки, а лопатки компрессора вращают одновременно вокруг собственной оси и относительно оси рабочей камеры установки и перемещают относительно электродуговых испарителей, при этом скорость вращения лопаток компрессора относительно собственной оси составляет от 8 до 40 об/мин, а относительно оси камеры установки - от 2 до 8 об/мин.

4. Способ по п. 1 или 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 п.3, 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.

6. Способ по любому из пп. 1, 2, 5, отличающийся тем, что упрочняющую обработку лопаток проводят виброабразивным шлифованием.