Способ изготовления турбинной лопатки с перфорационными охлаждающими отверстиями и термобарьерным покрытием Российский патент 2023 года по МПК B23H9/10 B23H9/14 C23C4/00 

Изобретение относится к области электроэрозионной обработки металлов и сплавов воздействием импульсов электрического тока, возбуждаемых между электродами-инструментами и деталями и может быть использовано при изготовлении охлаждающих отверстий малого диаметра с фасками в охлаждаемых рабочих и сопловых лопатках газотурбинных двигателей.

Прошивку перфорационных каналов малого диаметра (менее 1,8 мм) выполняют электродами-инструментами, как одиночными, так и групповыми, собранными и установленными в определенном порядке для одновременной прошивки отверстий. Высокие рабочие температуры газа газотурбинных двигателей приводят к перегреву материала лопаток турбины и для снижения их поверхностной температуры используют термобарьерные покрытия. Однако нанесенное покрытие осаждается не только на поверхности лопаток, но и в охлаждающих отверстиях (перфорационных каналах), блокируя последних. Сужение входа перфорационного канала приводит к снижению эффективности охлаждения и перегреву материала лопаток турбины. Прошивка отверстий сквозь слой покрытия неизбежно сопровождается процессом оплавления и стеклования участка покрытия, окаймляющего выходное отверстие каналов. В результате происходит сеточное растрескивание керамического слоя и скалывание керамики.

Из уровня техники известен способ электроэрозионной прошивки охлаждающих отверстий в турбинных лопатках с термобарьерным покрытием, при котором охлаждающие отверстия выполняют электродом-инструментом цилиндрической формы путем его вращения и поступательного перемещения (RU 2522975, В23Н 5/02, Опубликовано: 20.07.2014 Бюл. №20). В известном способе прошивку охлаждающих отверстий осуществляют сквозь слой нанесенного покрытия двумя трубчатыми электродами. Вначале под охлаждающее отверстие удаляют электродом-инструментом участок покрытия с поверхности лопатки, после чего прошивают в ней отверстие. При этом покрытие вокруг прошитого отверстия растрескивается и скалывается.

Технической задачей предлагаемого изобретения является недопущение указанного недостатка при прошивке охлаждающих отверстий в турбинных лопатках.

Техническая задача осуществляется тем, что в способе электроэрозионной прошивки охлаждающих отверстий турбинных лопаток с термобарьерным покрытием, при котором охлаждающие отверстия выполняют электродом-инструментом цилиндрической формы путем его поступательного перемещения, электрод-инструмент предварительно изготавливают ступенчатым с переходным коническим участком, при этом угол конуса этого участка выполняют в пределах 30-90 градусов, перемещение переходного конического участка электрода-инструмента устанавливают с момента вхождения его в лопатку в интервале от 10% до 25% толщины стенки лопатки, при этом прошивку осуществляют до нанесения термобарьерного покрытия на лопатки. Конкретность же исполнения угла конуса переходного конического участка электрода-инструмента устанавливают в зависимости от заданного расстояния между охлаждающими отверстиями и толщины наносимого покрытия.

Техническим результатом предложенного способа является обеспечение при изготовлении лопатки недопущения повреждаемости нанесенного покрытия на ее поверхность и попадания фрагментов покрытия в перфорационные охлаждающие отверстия, тем самым сохраняя величину расчетного охлаждающего потока воздуха сквозь отверстия лопатки.

Изобретение поясняется фигурами, на которых изображено следующее:

фиг. 1 - цилиндрический профилированный электрод-инструмент с переходным коническим участком;

фиг. 2 - перфорационное отверстие с фаской в перфорационном отверстии стенке лопатки;

фиг. 3 - термобарьерное покрытие на лопатке турбины с фаской в перфорационном отверстии;

фиг. 4 - термобарьерное покрытие на лопатке турбины с блокировкой канала при отсутствии фаски в перфорационном отверстии.

Пример осуществления способа электроэрозионной прошивки охлаждающих отверстий в турбинных лопатках с термобарьерным покрытием.

В качестве образцов использовали лопатки из жаропрочного никелевого сплава ЖС32 ротора турбины авиадвигателя. Вначале изготовили в соответствии с требованием задания цилиндрический электрод-инструмент переменного диаметра (d₁ и d₂) с переходным коническим участком С с углом конуса α=60 градусов (фиг. 1). Прошивку отверстий диаметром d₁ и d₂ проводили за один проход в ванне с индустриальным маслом. Толщина стенки лопатки b составляла 4,5 мм. Перемещение конического участка электрода - инструмента с момента вхождения его в поверхность лопатки составило 1 мм. Получили отверстия m диаметром d₃ с фасками k (фиг. 2). Затем нанесли термобарьерное покрытие, состоящее из связующего жаростойкого слоя методом вакуумноплазменного напыления и керамического слоя методом электроннолучевого напыления.

Керамический слой покрытия (фиг. 3, 4), попадая в фаски перфорационных отверстий, не перекрывал перфорационный канал.

Выполняя на электроде-инструменте иную конусность, кроме угла α=60 градусов возможно следующее: при α>90 градусов возможно наложение конусности соседних отверстий друг на друга. При величине α<30 градусов слой керамики перекрывает канал перфорационного отверстия.

Результатом предложенного способа является исключение повреждаемости нанесенного покрытия на лопатках и отсутствие фрагментов этого покрытия в отверстия, что сохраняет расчетную величину потока охлаждающего воздуха, проходящего сквозь отверстия лопатки.

Изобретение относится к области электроэрозионной обработки металлов и сплавов путем воздействия импульсов электрического тока, возбуждаемых между электродами-инструментами и деталями, и может быть использовано при изготовлении перфорационных отверстий малого диаметра с фасками в охлаждаемых рабочих и сопловых лопатках газотурбинных двигателей. Способ включает электроэрозионную прошивку перфорационных охлаждающих отверстий в турбинной лопатке электродом-инструментом при его поступательном перемещении и нанесение термобарьерного покрытия. В способе используют цилиндрический электрод-инструмент переменного диаметра, который изготавливают ступенчатым с переходным коническим участком с углом конуса в пределах 30-90 градусов, при этом электродом-инструментом получают отверстия с фасками путем выполнения перемещения электрода-инструмента с момента вхождения его переходного конического участка в поверхность лопатки в интервале от 10 до 25% толщины стенки лопатки. При изготовлении лопатки способ обеспечивает недопущение повреждения нанесенного покрытия и попадания фрагментов покрытия в перфорационные охлаждающие отверстия, что сохраняет расчетную величину потока охлаждающего воздуха, проходящего сквозь отверстия лопатки при работе турбины. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.

1. Способ изготовления турбинной лопатки с перфорационными охлаждающими отверстиями и термобарьерным покрытием, включающий электроэрозионную прошивку перфорационных охлаждающих отверстий в турбинной лопатке электродом-инструментом при его поступательном перемещении и нанесение термобарьерного покрытия, отличающийся тем, что используют цилиндрический электрод-инструмент переменного диаметра, который изготавливают ступенчатым с переходным коническим участком с углом конуса в пределах 30-90 градусов, при этом электродом-инструментом получают отверстия с фасками путем выполнения перемещения электрода-инструмента с момента вхождения его переходного конического участка в поверхность лопатки в интервале от 10% до 25% толщины стенки лопатки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что угол конуса переходного конического участка электрода-инструмента выполняют с учетом расстояния между охлаждающими отверстиями и толщиной наносимого покрытия.