×
10.05.2018
218.016.44c8

Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ С УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к способу упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защитно-упрочняющей обработки пера рабочих лопаток компрессора ГТД или паровой турбины из титановых сплавов. Осуществляют предварительную обработку поверхности детали электролитно-плазменным полированием. Электролитно-плазменное полирование проводят при напряжении 260-280 В в 5-7% водном растворе фторида аммония при температуре 65-75°C. Затем осуществляют ионно-имплантационную обработку ионами азота при энергии от 15 до 18 кэВ, дозой от 1,6⋅10 см до 2⋅10 см, со скоростью набора дозы от 0,7⋅10 с до 1⋅10 с. В результате достигают повышение выносливости и циклической долговечности деталей. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защитно-упрочняющей обработки пера рабочих лопаток компрессора ГТД или паровой турбины из титановых сплавов для повышения выносливости и циклической долговечности деталей.

В настоящее время большое внимание привлекают материалы с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой. Эти материалы обладают рядом уникальных свойств, имеющих практический интерес. Металлы с УМЗ структурой обладают повышенной прочностью, пластичностью, что делает их перспективными для промышленного использования. Однако детали, изготовленные из материалов с УМЗ структурой, в частности из титановых сплавов, для повышения их эксплуатационных характеристик также требуют поверхностной защитно-упрочняющей обработки.

Известен способ газового азотирования титановых сплавов, приводящий к получению на поверхности нитридов титана высокой твердости и износостойкости. Процесс проводят в основном при 700-900°C в аммиачной среде. Повышенные температуры процесса приводят к росту зерна в изделии, диффузии водорода и уменьшению характеристик пластичности и вязкости. Тонкие изделия, например лопасти центробежных насосов, получают значительные коробления (Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник под редакцией Ляховича Л.С. - М.: Металлургия, 1981, 424 с.).

Известен способ упрочнения деталей из титановых сплавов (патент US №5443663. МПК C23C 8/36. «Plasma nitrided titanium and titanium alloy products». Опубл. 1995), включающий ионное азотирование в плазме тлеющего разряда при температуре 480°C. Однако данный способ не может быть использован для упрочнения титановых сплавов с ульрамелкозернистой структурой, поскольку приводит к искажению структуры материала поверхностного слоя и ухудшению его эксплуатационных свойств.

Известен способ упрочнения поверхности титановых сплавов (патент RU №2117073. МПК C23C 14/48. Способ модификации поверхности титановых сплавов. Опубл. 1997), включающий имплантацию ионов азота и последующий стабилизирующий отжиг.

Известен также способ упрочнения поверхностей деталей из титановых сплавов включающий азотирование с последующим отжигом (патент RU №2558320. МПК C23C 8/36. Способ упрочнения поверхности титановых сплавов в вакууме. Бюл. №21. Опубл. 2015). Азотирование деталей проводят в вакуумной камере в газовой смеси азота и аргона при температуре 650-700°C путем вакуумного нагрева в плазме.

Недостатками известных способов является необходимость нагрева поверхностного слоя детали, при которой происходит нарушение структуры материала детали и потеря ее эксплуатационных свойств.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов, включающий предварительную подготовку поверхности детали и последующую ее ионно-имплантационную обработку ионами азота (патент РФ №2116378. МПК C23C 14/48. Способ модификации поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана. Опубл. 1998 г.). При этом предварительную обработку осуществляют методом ионной очистки ионами инертных газов аргона или ксенона с энергией 250-350 кВ, плотностью ионного тока 3-10 мА/см2, в течение времени более 3000 с, ионную имплантацию азотом проводят с энергией 30-50 мкА/см2, в течение 500-2500 с, а отжиг проводят при температуре 450-550°C и давлении остаточных газов 10-3-5⋅10-3 Па в течение 2-2,5 ч.

Недостатком прототипа является невозможность его применения для упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с УМЗ структурой из-за снижения эксплуатационных свойств материала.

Задачей настоящего изобретения является создание такого поверхностного слоя материала детали, который позволил бы обеспечить повышенные эксплуатационные характеристики деталей из титановых сплавов с УМЗ структурой.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение эксплуатационных характеристик (предела выносливости, циклической долговечности) деталей из титановых сплавов с УМЗ структурой за счет упрочняющей ионно-имплантационной обработки поверхности деталей. Технический результат достигается тем, что в способе упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой, включающем предварительную подготовку поверхности детали и последующую ее ионно-имплантационную обработку ионами азота, в отличие от прототипа предварительную подготовку поверхности детали осуществляют электролитно-плазменным полированием в 5-7% водном растворе фторида аммония при температуре 65-75°C при напряжении 260-280 В, а ионно-имплантационную обработку проводят при энергии от 15 до 18 кэВ, дозой от 1,6⋅1017 см-2 до 2⋅1017 см-2, со скоростью набора дозы от 0,7⋅1015 с-1 до 1⋅1015 с-1.

Кроме того, в предлагаемом способе электролит дополнительно может содержать регуляторы кислотности для достижения pH раствора в диапазоне 4,5…6,5 pH, а в качестве регуляторов кислотности могут использоваться либо гидроксиламин солянокислый, либо гидроксиламин сернокислый, а в качестве деталей из титановых сплавов используют лопатки компрессора газотурбинного двигателя или газотурбинной установки или лопатку паровой турбины.

Для оценки эксплуатационных свойств деталей, обработанных по предлагаемому способу, были проведены следующие испытания. Образцы из титанового сплава ВТ-6 с УМЗ структурой были подвергнуты ионно-имплантационной обработке как по способу-прототипу (патент РФ №2116378. МПК C23C 14/48. 1998 г.) согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам обработки, так и по предлагаемому способу.

Режимы обработки образцов по предлагаемому способу.

Электролитно-плазменное полирование (ЭПП). Напряжение: 250 В - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 260 В - удовлетворительный результат (У.Р.); 280 В - (У.Р.); 290 В - (Н.Р.). Электролит - водный раствор фторида аммония, концентрацией: 4% - (Н.Р.); 5% - (У.Р.); 6% - (У.Р.); 7% - (У.Р.); 8% - (Н.Р.). Электролит с дополнительным содержанием регуляторов кислотности для достижения pH раствора в диапазоне 4,5…6,5 pH: гидроксиламин солянокислый - (У.Р.); гидроксиламин сернокислый - (У.Р.);

Температура процесса ЭПП: 58°C - (Н.Р.); 65°C - (У.Р.); 70°C - (У.Р.); 75°C - (У.Р.); 82°C - (Н.Р.).

Ионно-имплантационная обработка (ИИО) ионами азота. Величина энергии: 13 кэВ - (Н.Р.); 15 кэВ - (У.Р.); 16 кэВ - (У.Р.); 17 кэВ - (У.Р.); 18 кэВ - (У.Р.); 20 кэВ - (Н.Р.). Доза: 1,4⋅1017 см-2 - (Н.Р.); 1,6⋅1017 см-2 - (У.Р.); 1,8⋅1017 см-2 - (У.Р.); 2,0⋅1017 см-2 - (У.Р.); 2,2⋅1017 см-2 - (Н.Р.). Скорость набора дозы: 0,5⋅1015 с-1 - (Н.Р.); 0,7⋅1015 с-1 - (У.Р.); 0,9⋅1015 с-1 - (У.Р.); 1,0⋅1015 с-1 - (У.Р.); 1,16⋅1015 с-1 - (Н.Р.).

В качестве деталей из титанового сплава ВТ-6 с УМЗ структурой использовались экспериментальные образцы лопаток компрессора газотурбинного двигателя, лопатки газотурбинной установки и лопатки паровой турбины.

Неудовлетворительным результатом считался режим обработки, приводящий к снижению выносливости и циклической прочности образцов титанового сплава с УМЗ структурой в результате ионно-имплантационного воздействия на поверхность образца. удовлетворительным результатом принимался результат, обеспечивающий повышение выносливости и циклической прочности образцов из титанового сплава с УМЗ структурой не менее чем на 3-8%.

Обработка по способу-прототипу (патент РФ №2116378) - (Н.Р.).

Были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из титанового сплава ВТ-6 с УМЗ структурой на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости (σ-1) образцов в исходном состоянии составляет 520-550 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу - 500-530 МПа, а по предлагаемому способу - 560-590 МПа.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой следующих приемов: предварительная подготовка поверхности детали и последующая ее ионно-имплантационная обработка ионами азота; использование в качестве предварительной обработки поверхности детали электролитно-плазменное полирования; использование в качестве упрочняющей обработки поверхности детали ионно-имплантационной обработки ионами азота; проведение электролитно-плазменного полирования при напряжении 260-280 В в 5-7% водном растворе фторида аммония при температуре 65-75°C, а также использование следующих дополнительных приемов: проведение ионно-имплантационной обработки деталей при энергии от 15 до 18 кэВ, дозой от 1,6⋅1017 см-2 до 2⋅1017 см-2, со скоростью набора дозы от 0,7⋅1015 с-1 до 1⋅1015 с-1; использование в качестве деталей из титановых сплавов либо лопаток компрессора газотурбинного двигателя или газотурбинной установки, либо лопаток паровой турбины позволяет повысить эксплуатационные характеристики (предел выносливости, циклическую долговечность) деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой, что подтверждает заявленный технический результат предлагаемого изобретения.

Источник поступления информации: Роспатент

Showing 21-22 of 22 items.
15.10.2019
№219.017.d56d

Состав для ингибирования отложения солей

Изобретение относится к составам для предотвращения неорганических отложений кальция и бария, которые могут быть использованы в нефтяной промышленности, в частности, в скважинах и на скважинном оборудовании, в системе сбора, подготовки и транспорта нефти. Технический результат - повышение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002702784
Дата охранного документа: 11.10.2019
29.02.2020
№220.018.0797

Способ электрополирования детали

Изобретение относится к технологии электрополирования поверхности деталей из железохромоникелевых, титановых и никелевых сплавов и может быть использовано для повышения эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин. Способ включает электролитно-плазменное полирование путем погружения детали...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002715398
Дата охранного документа: 27.02.2020
Showing 41-50 of 142 items.
13.01.2017
№217.015.8292

Способ восстановительного ремонта трубопровода и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к трубопроводному транспорту и предназначена для проведения ремонтных работ без остановки эксплуатации трубопровода. На наружную поверхность восстанавливаемого участка трубопровода после очистки поверхности и разделки трещин устанавливают муфту с образованием...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002601782
Дата охранного документа: 10.11.2016
13.01.2017
№217.015.8c15

Способ и устройство для сбора нефти и нефтепродукта из-под ледяного покрова водоема

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано при разливе нефти (нефтепродуктов) под ледяным покровом преимущественно арктических водоемов. Предложен способ сбора нефти или нефтепродукта из-под ледяного покрова водоема, включающий локализацию пятна нефти или...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002604931
Дата охранного документа: 20.12.2016
13.01.2017
№217.015.8dea

Способ химико-термической обработки детали из титана

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из титана, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей, работающих в парах трения. Способ химико-термической обработки детали из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002605029
Дата охранного документа: 20.12.2016
13.01.2017
№217.015.8f4c

Способ химико-термической обработки детали из сплава на основе кобальта

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из сплава на основе кобальта, и может быть использовано для изготовления деталей и узлов горячего тракта газотурбинных авиационных двигателей, стационарных газотурбинных установок и других изделий,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002605394
Дата охранного документа: 20.12.2016
13.01.2017
№217.015.8f85

Способ химико-термической обработки детали из сплава на основе никеля

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из сплава на основе никеля, и может быть использовано для изготовления деталей и узлов горячего тракта газотурбинных авиационных двигателей, стационарных газотурбинных установок и других изделий,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002605395
Дата охранного документа: 20.12.2016
25.08.2017
№217.015.a16e

Способ химико-термической обработки детали из сплава на основе титана

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из сплава на основе титана, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей, работающих в парах трения. Способ химико-термической...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002606352
Дата охранного документа: 10.01.2017
25.08.2017
№217.015.a2c6

Способ алмазно-электрохимического шлифования

Изобретение относится к комбинированным методам обработки, сочетающим механическое и электрохимическое воздействие на обрабатываемую заготовку, и может быть использовано при алмазно-электрохимическом шлифовании деталей из труднообрабатываемых сталей и сплавов. Шлифование осуществляют...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002607060
Дата охранного документа: 10.01.2017
25.08.2017
№217.015.bbae

Способ защиты интерметаллидного сплава от высокотемпературного окисления

Изобретение относится к химической обработке поверхности конструкционных сплавов, а именно к защите интерметаллидных сплавов на основе алюминидов титана от высокотемпературного окисления, и может быть использовано для защиты лопаток турбины или компрессора, работающих при температурах до 800°C....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615963
Дата охранного документа: 11.04.2017
26.08.2017
№217.015.d7ab

Способ получения заготовок из технически чистого титана с размером зерна менее 0,4 мкм

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению заготовок из технически чистого титана с размером зерна менее 0,4 мкм, и может быть использовано для изготовления полуфабрикатов и изделий, используемых в медицине и технике. Способ получения заготовок из технически чистого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002622536
Дата охранного документа: 16.06.2017
26.08.2017
№217.015.e86c

Способ химико-термической обработки детали из легированной стали

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из легированных сталей, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей, работающих в парах трения, режущего инструмента и штамповой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002627551
Дата охранного документа: 08.08.2017
+ добавить свой РИД