Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ОТ ПЫЛЕАБРАЗИВНОЙ ЭРОЗИИ

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.

В промышленности известен гальванический способ нанесения никель-кадмиевого (NiCd) покрытия на лопатки компрессора ГТД (Петухов А.Н. Усталость замковых соединений лопаток компрессоров // Труды ЦИАМ №1213, 1987. - 36 с.).

Недостатками этого способа являются невысокая устойчивость к солевой коррозии, экологический вред гальванического производства, а также вероятность наводороживания поверхности, обусловливающего снижение выносливости и циклической долговечности.

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, C23C 14/34, 10.11.2002].

Известен 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 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.

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 ионную очистку и ионную имплантацию 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 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 ионную имплантацию 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, в отличие от прототипа, перед ионной имплантацией проводят электролитно-плазменное полирование поверхности, прикладывая к обрабатываемой детали электрический потенциал от 310 В до 360 В, используя в качестве электролита 2-7% водный раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F от 16 до 26 вес.%, KF - остальное, ионную имплантацию проводят ионами N, Y, Yb, V или их сочетанием, при энергии от 25 до 30 кэВ, дозой от 1,5·10¹⁷ см^-2 до 3·10¹⁷ см^-2, а в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом используют ванадий при соотношении титана к ванадию, вес.%: V от 4 до 12%, остальное - Ti, причем слой титана с ванадием наносят толщиной от 0,2 мкм до 0,3 мкм, а слой соединений титана с ванадием и азотом - толщиной от 1,1 мкм до 2,2 мкм при общей толщине покрытия от 5,0 мкм до 7,0 мкм.

Технический результат достигается также тем, что в способе защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии возможно использование следующих вариантов: 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; электролитно-плазменное полирование ведут при величине тока от 0,2 А/дм² до 0,5 А/дм² и температуре от 70°C до 90°C, в течение от 0,8 до 7 мин; в состав электролита дополнительно вводят 0,3-0,8 вес.% TiF₄; после нанесения требуемого количества слоев покрытия проводят постимплантационный отжиг, причем постимплантационный отжиг и нанесение покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл; ионную имплантацию проводят либо в импульсном режиме, либо в непрерывном режиме; нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют, по крайней мере из двух, раздельных электродуговых испарителей, один из которых выполненен из ванадия, а другой - из титана; нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют с по крайней мере из двух, одновременно работающих раздельных электродуговых испарителей, один из которых выполненен из ванадия, а другой - из титана, причем упомянутые электродуговые испарители расположены в периферийной части цилиндрической рабочей камеры ионно-плазменной установки, а лопатки компрессора вращаются одновременно вокруг собственной оси и относительно оси рабочей камеры установки, перемещаясь 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.

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 310 В до 360 В, а в качестве электролита используют 2-7% водный раствор смеси KF и NH₄F, при их содержании, вес.%: 80% KF и 20% NH₄F. 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.

Обработку ведут в среде электролита при поддержании вокруг детали парогазовой оболочки. В качестве ванны используют емкость, выполненную из материала, стойкого к воздействию электролита. Величина pH электролита находится в пределах 4-9. Температура электролита - в диапазоне 70-90°C.

При осуществлении электролитно-плазменного полирования происходят следующие процессы. Под действием протекающих токов происходит нагрев поверхности детали и образование вокруг нее парогазовой оболочки. Излишняя теплота, возникающая при нагреве детали и электролита, отводится через систему охлаждения. При этом поддерживают заданную температуру процесса. Под действием электрического напряжения (электрического потенциала между деталью и электролитом) в парогазовой оболочке возникает разряд, представляющий из себя ионизированную электролитическую плазму, обеспечивающую протекание интенсивных химических и электрохимических реакций между обрабатываемой деталью и средой парогазовой оболочки.

При подаче положительного потенциала на деталь, в процессе протекания указанных реакций, происходит анодирование поверхности детали с одновременным химическим травлением образующегося окисла. Причем при анодной поляризации парогазовый слой состоит из паров электролита, анионов и газообразного кислорода. Поскольку травление происходит, в основном, на микронеровностях, где образуется тонкий слой окисла, а процессы анодирования продолжаются, то в результате совместного действия этих факторов происходит уменьшение шероховатости обрабатываемой поверхности и, как следствие, полирование последней.

При обработке в электролите 2-7% водного раствора смеси KF и NH₄F при их содержании, вес.%: NH₄F от 16% до 26%, KF - остальное, поверхность детали покрывается слоем легко растворимого налета из фтористых соединений, образованных вытеснением кислорода (TiO₂+F-TiF₄). При напряжении от 320 В до 340 В температура разряда достаточно высока для ведения стабильного процесса полирования. Поскольку деталь из-за наличия парогазовой оболочки непосредственно не контактирует с электролитом, то соединение TiF₄ испаряется, т.е. полирование ведется через испарение фторированного слоя (Tпл. TiF₄=238°C).

При обработке сложнопрофильных деталей из титана и титановых сплавов (например, лопаток турбомашин) целесообразно введение в состав электролита поверхностно-активных веществ (ПАВ). Введение ПАВ уменьшает коэффициент поверхностного натяжения раствора, что улучшает состояние парогазового слоя на границе «газ-жидкость». Однако не следует создавать значительных концентраций ПАВ, поскольку это может привести к образованию нежелательных несмываемых пленок на поверхности изделия. Кроме того, увеличение концентрации ПАВ может привести к обратному эффекту, т.е. увеличению величины коэффициента поверхностного натяжения раствора. Концентрация основных компонентов электролита является величиной, достаточно варьируемой. При этом нижний предел их концентрации определяется необходимостью обеспечения количественного доминирования ионов фтора над ионами кислорода как в образующейся на поверхности изделия пленке, так и в парогазовой оболочке. Верхний предел концентрации раствора электролита лимитируется увеличением количества образующихся, в процессе обработки, токсичных газообразных продуктов (F-, NH₃). Для минимизации джоуль-ленцовых потерь электролит должен обладать достаточной электропроводимостью. При подборе концентрации электролита из диапазона от 2 до 7% водного раствора смеси KF и NH₄F (при вес.%: NH₄F от 16% до 26%, KF - остальное), а также дополнительных добавок (поверхностно-активные вещества в концентрации 0,4-0,8% или 0,3-0,8% TiF₄) необходимо также учитывать возможность его продолжительного использования без дополнительной корректировки состава.

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 310 В до 360 В, 290 В - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 310 В - удовлетворительный результат (У.Р.); 330 В - (У.Р.); 360 В - (У.Р.); 370 В (Н.Р.); электролиты: от 2% до 7% (1% - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 2%; 3%; 5%; 7%; 8% - (Н.Р.); водный раствор смеси KF и NH₄F, при их содержании, вес.%: NH₄F от 16% до 26% (14% - (Н.Р.); 16%; 20%; 24%; 26%; 28% - (Н.Р.)), KF - остальное.

Ионная имплантация ионами N, Y, Yb, V или их сочетанием: 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.); 1,5·10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 3·10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 4·10¹⁷ см^-2 (Н.Р.), N (У.P.), Y (У.Р.), Yb (У.P.), V (У.P.), (N+Y) (У.Р.), (N+Yb) (У.Р.), (N+V) (У.Р.), (N+Y+Yb) (У.Р.), (N+Y+V) (У.Р.), (N+Y+Yb+V) (У.Р.), (Y+Yb)(У.P.), (Y+V)(У.P.), (N+Y+Yb+V) (У.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 0,3 мкм): 0,1 мкм (Н.Р.); 0,2 мкм (У.Р.); 0,3 мкм (У.Р.); 0,5 мкм (Н.Р.). Толщина слоя соединений титана с ванадия и азотом (1,1 мкм до 2,2 мкм): 0,9 мкм (Н.Р.); 1,1 мкм (У.Р.); 1,5 мкм (У.Р.); 2,2 мкм (У.Р.); 2,5 мкм (Н.Р.). Общая толщина покрытия (от 5 мкм до 7 мкм): 4,0 мкм (Н.Р.); 5,0 мкм (У.Р.); 7,0 мкм (У.Р.); 8,0 мкм (Н.Р.).

Общая толщина покрытия-прототипа и покрытия, нанесенного по предлагаемому способу, составляла от 5 мкм до 7 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 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 12…14 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 - 480-500 МПа.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии следующих приемов: ионную имплантацию пера лопатки; последующее нанесение ионно-плазменного многослойного покрытия в виде заданного количества пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом; проведение перед ионной имплантацией электролитно-плазменного полирования поверхности приложением к обрабатываемой детали электрического потенциала от 310 В до 360 В, используя в качестве электролита 2-7% водный раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F от 16 до 26 вес.%, KF - остальное; ионная имплантация ионами N, Y, Yb, V или их сочетанием при энергии от 25 до 30 кэВ, дозой от 1,5·10¹⁷ см^-2 до 3·10¹⁷ см^-2; использование в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом ванадия при соотношении титана к ванадию, вес.%: V от 4 до 12%, остальное - Ti; при нанесении слоя титана с ванадием толщиной от 0,2 мкм до 0,3 мкм; при нанесении слоя соединений титана с ванадием и азотом толщиной от 1,1 мкм до 2,2 мкм при общей толщине покрытия от 5,0 мкм до 7,0 мкм; осуществление нанесения слоев соединений титана с ванадием в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом в режиме ассистирования ионами азота; ведение электролитно-плазменного полирования при величине тока от 0,2 А/дм² до 0,5 А/дм² и температуре от 70°C до 90°C в течение от 0,8 до 7 мин; дополнительное введение в состав электролита 0,3-0,8 вес.% TiF₄; после нанесения требуемого количества слоев покрытия проведение постимплантационного отжига; постимплантационный отжиг и нанесение покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл; ионную имплантацию проводят либо в импульсном режиме, либо в непрерывном режиме; нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют, по крайней мере из двух, раздельных электродуговых испарителей, один из которых выполненен из ванадия, а другой - из титана, 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.