×
27.03.2013
216.012.313a

Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО ПОКРЫТИЯ НА ЛОПАТКАХ КОМПРЕССОРА ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении. Детали помещают в вакуумную камеру установки, создают требуемый вакуум, ионную очистку и ионно-имплантационную обработку поверхности основного материала детали с последующим нанесением на нее заданного количества пар слоев в виде слоя титана и слоя соединений титана с металлами и азотом. При этом ионную очистку проводят ионами аргона при энергии от 8 до 10 кэВ, плотности тока от 130 МкА/см до 160 МкА/см в течение от 0,3 до 1,0 часа, затем проводят ионную имплантацию ионами азота при энергии от 25 до 30 кэВ, дозой от 1,6·10 см до 5·10 см, со скоростью набора дозы от 0,7·10 с до 1·10 c. Слой титана в упомянутой паре слоев наносят толщиной от 50 до 60 нм, а слой соединений титана с металлами и азотом в упомянутой паре слоев - толщиной от 300 нм до 400 нм, причем при формировании слоя соединений титана с металлами и азотом используют соединения титана со следующими металлами, выбранными из Al, Mo, Zr, V, Si или их сочетания. После нанесения каждой пары слоев проводят имплантацию ионами азота с энергией от 5 до 10 кэВ в течение от 2 до 5 минут. Обеспечивается защита пера рабочей лопатки компрессора и турбины из титанового сплава от эрозионного разрушения при одновременном повышении выносливости и циклической долговечности. 15 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток компрессора ГТД и паровой турбины 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, С23С 14/34, 10.11.2002].

Известен способ нанесения ионно-плазменных покрытий (преимущественно 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, 20.04.2001).

Основным недостатком этого способа является обеспечение недостаточно высокой 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 получения ионно-плазменного покрытия на деталях из титановых сплавов, включающий помещение деталей в вакуумную камеру установки, создание требуемого вакуума, ионную очистку и ионно-имплантационную обработку поверхности основного материала детали с последующим нанесением на нее заданного количества пар слоев: слоя титана и слоя соединений титана с металлами и азотом (Патент РФ №2226227, МПК С23С 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) и лопатки паровых турбин.

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

Техническим результатом заявляемого способа является повышение стойкости покрытия к эрозионному разрушению при одновременном повышении выносливости и циклической долговечности защищаемых деталей.

Технический результат достигается тем, что в способе получения ионно-плазменного покрытия на лопатках компрессора из титановых сплавов, включающем помещение деталей в вакуумную камеру установки, создание требуемого вакуума, ионную очистку и ионно-имплантационную обработку поверхности основного материала детали с последующим нанесением на нее заданного количества пар слоев: слоя титана и слоя соединений титана с металлами и азотом, в отличие от прототипа 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, причем слой титана в паре наносят толщиной от 50 до 60 нм, а слой соединений титана с металлами и азотом в паре толщиной от 300 нм до 400 нм, причем при формировании слоя соединений титана с металлами и азотом используют соединения титана со следующими металлами: Al, Mo, Zr, V, Si или их сочетание, при следующем их соотношении, вес.%: либо Al от 4 до 8%, остальное Ti, либо Al от 4 до 8%, Zr от 1 до 3%, остальное Ti, либо Al от 4 до 8%, Zr от 1 до 3%, Mo от 1 до 2%, остальное Ti, либо Al от 4 до 8%, Zr от 1 до 3%, Mo от 1 до 2%, остальное Ti, либо Al от 4 до 8%, Zr от 1 до 3%, Mo от 1 до 2%, V от 1 до 3%, остальное Ti, либо Al от 4 до 8%, Zr от 1 до 3%, Mo от 1 до 2%, V от 1 до 3%, Si от 1 до 4%, остальное Ti, либо Al от 4 до 8%, Mo от 1 до 2%, V от 1 до 3%, Si от 1 до 4%, остальное Ti, либо Al от 4 до 8%, Zr от 1 до 3%, V от 1 до 3%, Si от 1 до 4%, остальное Ti, либо Al от 4 до 8%, V от 1 до 3%, Si от 1 до 4%, остальное Ti, а а после нанесения каждой пары слоев проводят имплантацию ионами азота с энергией от 5 до 10 кэВ в течение от 2 до 5 минут, при этом создание требуемого вакуума может производится турбомолекулярным насосом, а вакуум создавать от 10-5 до 10-7 мм рт.ст.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения ионно-плазменного покрытия на деталях из титановых сплавов заданное количество пар слоев покрытия определяется ее общей толщиной, равной от 7 мкм до 15 мкм, а после нанесения требуемого количества слоев покрытия проводят их постимплантационный отжиг, причем постимплантационный отжиг и нанесение нанослойного покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл, при этом возможны следующие варианты способа: ионную имплантацию проводят в импульсном режиме; ионную имплантацию проводят в непрерывном режиме; в качестве деталей из титановых сплавов используется лопатка компрессора газотурбинного двигателя или газотурбинной установки или лопатка паровой турбины.

Для оценки стойкости лопаток паровых и газовых турбин к их сопротивлению эрозионному износу были проведены следующие испытания. На образцы из титанового сплава ВТ6 были нанесены покрытия как по способу - прототипу (патент РФ №2226227, МПК С23С 14/48, 27.03.2004), согласно приведенных в способе-прототипе условий и режимов нанесения, так и покрытия по предлагаемому способу.

Режимы обработки образцов и нанесения покрытия по предлагаемому способу.

Ионная очистка: ионы аргона при энергии 6 кэВ - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 8 кэВ - удовлетворительный результат (У.Р.); 10 кэВ (У.Р.); 12 кэВ (Н.Р.); плотность тока: 110 МкА/см2 (Н.Р.); 130 МкА/см2 (У.Р.); 160 МкА/см2 (У.Р.); 180 МкА/см2 (Н.Р.); время ионной очистки: 0,1 часа (Н.Р.); 0,3 часа (У.Р.); 1,0 часа (У.Р.); 1,5 часа (Н.Р.).

Ионная имплантация ионами N: энергия - 20 кэВ (Н.Р.); 25 кэВ (У.Р.); 30 кэВ (У.Р.); 40 кэВ (Н.Р.); доза - 1,2·1017 см-2 (Н.Р.); 1,6·1017 см-2 (У.Р.); 2·1017 см-2 (У.Р.); 3·1017 см-2 (Н.Р.); скоростью набора дозы - 0,4·1015 с-1 (Н.Р.); 0,7·1015 с-1 (У.Р.); 1·1015 с-1 (У.Р.); 3·1015 c-1 (H.P.).

Толщина слоя титана в паре: 40 нм (Н.Р.); 50 нм (У.Р.); 60 нм (У.Р.); 80 нм (Н.Р.). Толщина слоя соединений титана с металлами и азотом в паре: 200 нм (Н.Р.); 300 нм (У.Р.); 400 нм (У.Р.); 500 нм (Н.Р.).

Соединения титана с металлами и азотом - использовались следующие металлы: Al, Mo, Zr, V, Si и их сочетание (AlМo, AlMoZr, AlMoZrV, AlMoZrVSi, AlZrVSi, AlMoVSi, AlMoZrSi, AlVSi, AlMoSi), при следующем их содержании, вес.%; Аl - [2% (Н.Р.); 4% (У.Р.); 8%(У.Р.) 10% (Н.Р.)]; Zr - [0,5% (Н.Р.); 1% (У.Р.); 3%(У.Р.); 5% (Н.Р.)]; Мо - [0,5% (Н.Р.); 1% (У.Р.); 2%(У.Р.); 4% (Н.Р.)]; V - [0,5% (Н.Р.); 1% (У.Р.); 3%(У.Р.); 5% (Н.Р.)]; Si от 1 до 4% - [0,5% (Н.Р.); 1% (У.Р.); 4%(У.Р.); 6% (Н.Р.)]; остальное - Ti.

После нанесения каждой пары слоев проводили имплантацию ионов азота с энергиями: 2 кэВ (Н.Р.); 5 кэВ (У.Р.); 10 кэВ (У.Р.); 14 кэВ (Н.Р.). Время имплантации слоя: 1 мин (Н.Р.); 2 мин (У.Р.); 5 мин (У.Р.); 10 мин (Н.Р.).

Создание требуемого вакуума производилось турбомолекулярным насосом; создавали вакуум от 10-5 до 10-7 мм рт.ст.

Общая толщина покрытия-прототипа и покрытия, нанесенного по предлагаемому способу, составляла от 7 мкм до 15 мкм.

После нанесения покрытия проводили постимплантационный отжиг, в одном вакуумном объеме установки за один технологический цикл.

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

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 K, 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 4,2..4,6 раз.

Кроме того, были проведены испытания на выносливость и циклическую долговечность образцов из титанового сплава ВТ6 на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости (σ-1) образцов в исходном состоянии (без покрытия) составляет 400 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу - 410-415 МПа, а по предлагаемому способу 420-440 МПа.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе получения ионно-плазменного покрытия на деталях из титановых сплавов, следующих приемов: помещение деталей в вакуумную камеру установки; создание требуемого вакуума; ионная очистка и ионно-имплантационная обработка поверхности основного материала детали с последующим нанесением на нее заданного количества пар слоев: слоя титана и слоя соединений титана с металлами и азотом; проведение ионной очистки 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; проведение ионной имплантации 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; нанесение слоя титана в паре толщиной от 50 до 60 нм, а слоя соединений титана с металлами и азотом в паре толщиной от 300 нм до 400 нм; использование при формировании слоя соединений титана с металлами и азотом соединений титана со следующими металлами: Al, Mo, Zr, V, Si или их сочетания при следующем их соотношении, вес.%: либо Al от 4 до 8%, остальное Ti, либо Al от 4 до 8%, Zr от 1 до 3%, остальное Ti, либо Al от 4 до 8%, Zr от 1 до 3%, Mo от 1 до 2%, остальное Ti, либо Al от 4 до 8%, Zr от 1 до 3%, Mo от 1 до 2%, остальное Ti, либо Al от 4 до 8%, Zr от 1 до 3%, Mo от 1 до 2%, V от 1 до 3%, остальное Ti, либо Al от 4 до 8%, Zr от 1 до 3%, Mo от 1 до 2%, V от 1 до 3%, Si от 1 до 4%, остальное Ti, либо Al от 4 до 8%, Mo от 1 до 2%, V от 1 до 3%, Si от 1 до 4%, остальное Ti, либо Al от 4 до 8%, Zr от 1 до 3%, V от 1 до 3%, Si от 1 до 4%, остальное Ti, либо Аl от 4 до 8%, V от 1 до 3%, Si от 1 до 4%, остальное Ti; проведение, после нанесения каждой пары слоев имплантации ионами азота с энергией от 5 до 10 кэВ в течение от 2 до 5 минут; создание требуемого вакуума турбомолекулярным насосом; создание вакуума от 10-5 до 10-7 мм рт.ст.; определение заданного количества пар слоев покрытия от ее общей толщины, равной от 8 мкм до 10 мкм; проведение после нанесения требуемого количества слоев покрытия постимплантационного отжига; проведение постимплантационного отжига и нанесение нанослойного покрытия в одном вакуумном объеме за один технологический цикл; проведение ионной имплантации в импульсном режиме; проведение ионной имплантации в непрерывном режиме; использование в качестве детали из титановых сплавов лопатки компрессора газотурбинного двигателя или газотурбинной установки или лопатки паровой турбины позволяет увеличить, по сравнению с прототипом, эрозионную стойкость, выносливость и циклическую долговечность, что подтверждает заявленный технический результат предлагаемого изобретения - повышение стойкости покрытия к эрозионному разрушению при одновременном повышении выносливости и циклической долговечности защищаемых деталей.

Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 91-97 из 97.
25.12.2019
№219.017.f254

Способ электрополирования внутреннего канала металлической детали и устройство для его реализации

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для обработки каналов, в частности внутренних поверхностей стволов артиллерийских орудий путем электрополирования. Способ включает перемещение электрода-инструмента по внутренней поверхности канала вдоль его оси. В...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002710086
Дата охранного документа: 24.12.2019
13.03.2020
№220.018.0b3f

Способ электрополирования металлической детали

Изобретение относится к технологии электрополирования поверхности деталей из металлов и сплавов и может быть использовано для обработки поверхностей лопаток турбомашин для повышения их эксплуатационных характеристик. Способ включает погружение детали в проводящую среду и подачу противоположного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002716292
Дата охранного документа: 11.03.2020
13.03.2020
№220.018.0b5a

Способ обработки перфорационных отверстий и внутренней полости лопатки турбомашины

Изобретение относится к сухому электрохимическому полированию лопаток турбомашин. Способ включает помещение лопатки в среду гранул, выполненных из анионитов, пропитанных раствором электролита, обеспечивающего электропроводность упомянутых гранул и ионный унос металла с удалением микровыступов с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002716330
Дата охранного документа: 11.03.2020
03.06.2020
№220.018.23c5

Способ обработки полой лопатки турбомашины с перфорационными отверстиями

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для сухого электрохимического полирования перфорационных отверстий в полых лопатках турбомашин. Способ включает помещение лопатки в среду гранул, выполненных из анионитов, пропитанных раствором электролита, обеспечивающего...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002722544
Дата охранного документа: 01.06.2020
27.06.2020
№220.018.2bbe

Способ электрополирования детали

Изобретение относится к технологии электрополирования поверхности деталей из металлов и сплавов и может быть использовано для обработки поверхностей лопаток турбомашин для повышения их эксплуатационных характеристик. Способ включает погружение детали в проводящую среду и подачу...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002724734
Дата охранного документа: 25.06.2020
20.05.2023
№223.018.67f8

Способ подбора дозы ионной имплантации для активации поверхности детали из легированной стали перед азотированием

Изобретение относится к способу подбора дозы ионной имплантации для активации поверхности детали из легированной стали перед азотированием. Используют одинаковые по форме и размерам плоские образцы из легированной стали для испытания на разрыв толщиной, равной толщине заданного азотированного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002794640
Дата охранного документа: 24.04.2023
21.05.2023
№223.018.6a6d

Способ азотирования 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, зубчатых колес и роторов винтовых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002795620
Дата охранного документа: 05.05.2023
Показаны записи 141-150 из 164.
12.10.2019
№219.017.d492

Способ формирования нанокристаллического поверхностного слоя на детали из сплава на никелевой основе (варианты)

Изобретение относится к способу формирования нанокристаллического поверхностного слоя на детали из сплава на никелевой основе(варианты) и может быть использовано для обработки лопаток газотурбинных двигателей и установок для улучшения их эксплуатационных характеристик. Осуществляют ионную...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002702516
Дата охранного документа: 08.10.2019
12.10.2019
№219.017.d4a0

Способ фрикционной сварки листовых заготовок

Изобретение может быть использовано для соединения сваркой трением стыков большой протяженности, преимущественно, листовых элементов и узлов конструкций из алюминиевых или магниевых сплавов. Способ включает подготовку заготовок, их фиксацию и сварку вращающимся инструментом при его перемещении...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002702536
Дата охранного документа: 08.10.2019
12.10.2019
№219.017.d4d3

Способ упрочняющей обработки детали из сплава на никелевой основе (варианты)

Изобретение относится к способу упрочняющей обработки детали из сплава на основе никеля. Технический результат состоит в повышении выносливости и циклической долговечности детали. Способ включает бомбардировку поверхностного слоя ионами по двум вариантам. По первому варианту бомбардировку...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002702515
Дата охранного документа: 08.10.2019
22.10.2019
№219.017.d90b

Прирабатываемая вставка уплотнения турбины

Изобретение относится к уплотнениям зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций. Прирабатываемая вставка уплотнения турбины выполнена из адгезионно соединенных между собой путем спекания частиц порошкового наполнителя и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002703669
Дата охранного документа: 21.10.2019
16.11.2019
№219.017.e30c

Способ электролитно-плазменного полирования изделий из титановых и железохромоникелевых сплавов

Изобретение относится к электролитно-плазменному полированию металлических изделий, преимущественно из титановых и железохромоникелевых сплавов. Способ включает погружение детали в электролит на основе водного раствора соли плавиковой кислоты с концентрацией фтор-ионов от 0,12 моль/л до 0,23...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002706263
Дата охранного документа: 15.11.2019
13.12.2019
№219.017.ed26

Способ формирования перфорационных отверстий на пере полой лопатки турбины из жаропрочного сплава

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для обработки отверстий малого диаметра, например перфорационных отверстий на лопатках из жаропрочных сплавов путем удаления дефектного слоя локальной электрохимической обработкой. Способ включает прожиг отверстий на пере...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002708723
Дата охранного документа: 11.12.2019
13.12.2019
№219.017.ed4f

Способ нанесения ионно-плазменных покрытий на статорное полукольцо с лопатками и установка для его реализации

Изобретение относится к способу нанесения ионно-плазменных покрытий на статорное полукольцо с лопатками и установке для его осуществления. Способ включает размещение полуколец в вакуумной камере установки на держателе изделий, ионную очистку поверхности полуколец с лопатками и нанесение на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002708711
Дата охранного документа: 11.12.2019
25.12.2019
№219.017.f22a

Способ обработки перфорационных отверстий в полых лопатках турбомашины и установка для его реализации

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для обработки сухого электрохимического полирования перфорационных отверстий в полых лопатках турбомашин. Способ включает размещение в полости лопатки электрода, помещение лопатки в среду гранул, выполненных из анионитов,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002710087
Дата охранного документа: 24.12.2019
16.01.2020
№220.017.f539

Установка для нанесения ионно-плазменных покрытий

Изобретение относится к технике и технологии нанесения защитных ионно-плазменных покрытий и может быть применено в машиностроении, например, для защиты рабочих и направляющих лопаток турбомашин. Установка содержит вертикальную цилиндрическую вакуумную камеру, снабженную системой вакуумирования,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002710809
Дата охранного документа: 14.01.2020
29.02.2020
№220.018.077b

Способ электрополирования лопаток блиска и устройство для его реализации

Изобретение относится к электрополированию лопаток блиска и может быть использовано в турбомашиностроении. Способ включает электрохимическое полирование лопаток в среде гранул, выполненных из анионитов, пропитанных раствором электролита, обеспечивающего электропроводность гранул и ионный унос...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002715395
Дата охранного документа: 27.02.2020
+ добавить свой РИД