×
27.05.2016
216.015.440d

СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ОТ ЭРОЗИИ И СОЛЕВОЙ КОРРОЗИИ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может использоваться в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты пера лопаток компрессора от эрозии и солевой коррозии при температурах эксплуатации до 800°C. Подготавливают поверхности пера лопатки под нанесение покрытия. Наносят первый слой покрытия из сплава на основе Ni, содержащего Co, Cr, Al, Y, наносят на первый слой второй слой из сплава на основе Аl, содержащего Y, и термообрабатывают лопатки с покрытием. При этом подготовку поверхности пера лопатки под нанесение покрытия осуществляют электролитно-плазменным полированием, затем осуществляют ионно-имплантационную обработку лопаток, а далее производят нанесение упомянутых слоев покрытия, причем ионно-имплантационную обработку лопаток проводят при энергии от 20 до 30 кэВ, дозой от 1,6·10 см до 2·10 см, со скоростью набора дозы от 0,7·10 с до 1·10 с, используя в качестве имплантируемых ионов следующие ионы: N, Cr, Ni, Со, Y, Yb, La или их комбинацию, а электролитно-плазменное полирование проводят при напряжении 260-320 В в электролите: 4-8% водный раствор сульфата аммония, при температуре 60-80°C. 2 з.п. ф-лы, 1 пр.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может использоваться в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты пера лопаток компрессора от эрозии и солевой коррозии при температурах эксплуатации до 800°C.

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 эрозионная стойкость покрытия, экологический вред гальванического производства, а также вероятность наводороживания поверхности, обусловливающего снижение выносливости и циклической долговечности.

Также известен способ защиты стальных деталей машин от солевой коррозии последовательным осаждением в вакууме на поверхность пера первого слоя конденсированного покрытия сплава на основе никеля толщиной от 6 до 25 мкм и второго слоя покрытия на основе алюминия толщиной от 4 до 12 мкм (Полищук И.Е. Структура и свойства газотермических покрытий на основе интерметаллидов системы никель-алюминий // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. науч. тр. НАН Украины, Науч. Совет НАНУ по пробл. "Физика твердого тела". - Киев, 1998).

Недостатками этого способа являются высокая температура отжига (610°C), которая приводит к изменениям в структуре материала (например, таких сталей, как 20X13, ЭИ961, 15Х11МФ). Кроме того, процесс осаждения таких покрытий характеризуется высокой трудоемкостью (не менее 4 ч на садку) и материалоемкостью, при этом увеличение толщины покрытия приводит к существенному снижению ее усталостной и адгезионной прочности.

Известен способ защиты стальных изделий от эрозии и солевой коррозии (преимущественно лопаток паровых 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 "Способ защиты стальных деталей машин от солевой коррозии", МПК7 C23C 14/16, 30/00, C22C 19/05, 21/04, 20.04.2001).

Основным недостатком этого способа является обеспечение недостаточно высокой эрозионной стойкости наносимого покрытия из-за малой толщины и твердости. При увеличении толщины покрытия происходит снижение ее усталостной и адгезионной прочности, что ухудшает эксплуатационные свойства деталей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ защиты лопаток турбомашин из легированных сталей от эрозии и солевой коррозии, включающий подготовку поверхности пера лопатки под нанесение покрытия, нанесение первого слоя покрытия из сплава на основе никеля, содержащего хром, кобальт, алюминий, иттрий, нанесение на первый слой второго слоя из сплава на основе алюминия, содержащего иттрий, и термообработку детали с покрытием (Патент РФ №2165475, МПК C23C 14/16, 20.04.2001).

Основным недостатком аналога является низкая коррозионная и эрозионная стойкость, а также низкая циклическая прочность компрессорных лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) и лопаток паровых турбин.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение стойкости покрытия к эрозии и солевой коррозии при одновременном повышении выносливости, циклической прочности.

Это достигается тем, что в способе защиты лопаток турбомашин из легированных сталей от эрозии и солевой коррозии, включающем подготовку поверхности пера лопатки под нанесение покрытия, нанесение первого слоя покрытия из сплава на основе Ni, содержащего Со, Cr, Al, Y, нанесение на первый слой второго слоя из сплава на основе Al, содержащего Y, и термообработку детали с покрытием, в отличие от прототипа подготовку поверхности пера лопатки под нанесение покрытия осуществляют электролитно-плазменным полированием, затем осуществляют ионно-имплантационную обработку лопаток, а далее производят нанесение упомянутых слоев покрытия, причем ионно-имплантационную обработку лопаток проводят при энергии от 20 до 30 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, используя в качестве имплантируемых ионов, следующие ионы: N, Cr, Ni, Со, Y, Yb, La или их комбинацию, а электролитно-плазменное полирование проводят при напряжении 260-320 В в электролите: 4-8% водный раствор сульфата аммония, при температуре 60-80°C, кроме того, покрытие может быть нанесено следующим образом: первый слой покрытия наносится из сплава на основе Ni, содержащего компоненты в следующем соотношении, мас. %: Cr - 16-26%, Co - 16-26%, Al - 9-15%, Y - 0,2-0,7%, Ni - остальное, а нанесение второго слоя покрытия производят из сплава на основе Al, дополнительно содержащего Si и Со, при следующем соотношении компонентов, мас. %: Si - 7-11%, Со - 7-14%, Y - 0,2-0,7%, Al - остальное; согласно изобретению толщина первого слоя составляет 5-7 мкм, а толщина второго слоя составляет 5-7 мкм, термообработку лопатки с покрытием проводят при температуре 580-620°C в течение 3-6 ч.

Использование высокоэнергетических методов ионно-имплантационной обработки и нанесения ионно-плазменных покрытий позволяет применять для подготовки поверхности под нанесение покрытия электролитно-плазменное полирование. При этом покрытие, сформированное на полированной поверхности, имеет высокую адгезию и незначительную шероховатость (Ra=0,08…0,04 мкм), что приводит к повышению циклической прочности деталей. При этом нанесение в качестве первого слоя покрытия сплава на основе никеля, дополнительно содержащего кобальт, а в качестве второго слоя нанесение покрытия алюминиевого сплава, содержащего кремний, иттрий и кобальт, при приведенном выше соотношении компонентов и последующая термообработка покрытия, проводимая в твердой фазе без оплавления сплава на основе алюминия, приводит к образованию во внешнем слое покрытия фаз на основе Ni-Al, Со-Al, Cr-Si и выделению избытка хрома в виде фазы -Cr при оптимальном их соотношении, а также закрытии незначительной пористости первого слоя покрытия за счет диффузионных процессов между слоями композиции при ее термообработке, позволяет почти на порядок повысить стойкость к солевой коррозии стальных лопаток компрессора газотурбинного двигателя или лопаток паровых турбин.

Пример конкретной реализации способа.

Для оценки стойкости лопаток паровых турбин и лопаток компрессора газотурбинных двигателей к их сопротивлению эрозионному износу и солевой коррозии были проведены следующие испытания. На образцы из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе 20X13, 15Х11МФ, ЭИ961, ЭП866ш (15Х16К5Н2МВФАБш), ЭП718 (ХН45МВТЮБРш), ЭП708 были нанесены покрытия как по способу-прототипу (Патент РФ №2165475, МПК С23С 14/16, 20.04.2001), согласно приведенных в способе-прототипе условий и режимов нанесения, так и покрытия по предлагаемому способу.

Коррозионная стойкость деталей с покрытиями исследовалась на плоских образцах 20×40×1,5 мм по методике ускоренных циклических испытаний по режиму: нагрев до температуры 600°C и выдержка 1 час, охлаждение на воздухе 2 минуты, охлаждение в 3% растворе NaCl, выдержка в течение 22-24 часов во влажной камере. Также на лопатках определялся предел выносливости, причем за 100% был принят предел выносливости лопаток без покрытия.

Удовлетворительным результатом (У.Р.) считалось покрытие, повышающее не менее чем в 2,5-3 раза сопротивление материала основы к коррозионному растрескиванию под напряжением при K=(0,3-0,8) от 0,2 при испытаниях в камере солевого тумана и камере тропического климата после предварительного длительного нагрева (500 часов) при t=450°C.

У.Р. считалось покрытие, обеспечивающее снижение предела выносливости на лопатках не более чем на 10% от значения передела выносливости лопаток без покрытия.

У.Р. считалось покрытие, обеспечивающее повышение эрозионной стойкости лопаток не менее чем в 1,5 раз по сравнению с прототипом (Патент РФ №2165475).

Режимы обработки образцов и нанесения покрытия по предлагаемому способу.

Электролитно-плазменное полирование проводили, погружая детали в водный раствор электролита и прикладывая к ним положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение. Полирование осуществляли до обеспечения шероховатости не ниже Ra=0,04…0,08 мкм. Режимы полирования: напряжение 260-320 В (250 В - Неудовлетворительный результат (Н.Р.); 250 В - (У.Р.); 290 В - (У.Р.); 320 В - (У.Р.); 330 В - (Н.Р.)), электролит: 4-8% сульфат аммония (3% - (Н.Р.), 4% - (У.Р.), 8% - (У.P.), 9% - (Н.Р.)), температура 60-80°C (50°C - (Н.Р.), 60°C - (У.Р.), 80°C - (У.Р.), 90°C - (Н.Р.)).

Ионная имплантация ионами N, Cr, Ni, Со, Y, Yb, La или их комбинацией: энергия - 17 кэВ (Н.Р.); 20 кэВ (У.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.); скорость набора дозы - 0,4·1015 с-1 (Н.Р.); 0,7·1015 с-1 (У.Р.); 1·1015 с-1 (У.Р.); 3·1015 с-1 (Н.Р.).

Первый слой покрытия наносился из сплава на основе никеля, содержащего компоненты в следующем соотношении, мас. %: (Cr - 14% (Н.Р.); Cr - 16% (У.Р.); Cr - 20% (У.Р.); Cr - 26% (У.Р.); Cr - 28% (Н.Р.). Со - 14% (Н.Р.); Со - 16% (У.Р.); Со - 20% (У.Р.); Со - 26% (У.Р.); Со - 28% (Н.Р.). Al - 7% (Н.Р.), Al - 9% (У.P.), Al - 12% (У.P.), Al - 15% (У.Р.),Al - 17% (H.P.).Y - 0,1%) (Н.Р.), Y - 0,2% (У.Р.), Y - 0,5% (У.Р.), Y - 0,7% (У.P.), Y - 0,9% (Н.Р.), Ni, во всех случаях - остальное).

Второй слой покрытия наносился из сплава на основе алюминия, дополнительно содержащего Si и Со, при следующем соотношении компонентов, мас. %: Si - 7-11%, Со - 7-14%, Y - 0,2-0,7%, Al - остальное.

Толщина первого слоя бралась: 4 мкм (Н.Р.), 5 мкм (У.Р.), 7 мкм (У.Р.), 9 мкм (Н.Р.). Толщина второго слоя бралась: 4 мкм (Н.Р.), 5 мкм (У.Р.), 7 мкм (У.Р.), 9 мкм (Н.Р.).

Термообработку лопатки с покрытием проводили при температуре: 570°C (Н.Р.), 580°C (У.Р.), 620°C (У.Р.), 630°C (Н.Р.), в течение: 2 ч. (Н.Р.), 3 ч. (У.Р.), 6 ч. (У.Р.), 7 ч. (Н.Р.). Оптимальный режим термообработки: 580-620°C в течение 4-6 часов на воздухе.

Таким образом, использование в предлагаемом способе защиты лопаток турбомашин из легированных сталей от эрозии и солевой коррозии следующих признаков: подготовку поверхности пера лопатки под нанесение покрытия; нанесение первого слоя покрытия из сплава на основе Ni, содержащего Co, Cr, Al, Y; нанесение на первый слой второго слоя из сплава на основе Al, содержащего Y; термообработку детали с покрытием; подготовку поверхности пера лопатки под нанесение покрытия электролитно-плазменным полированием; осуществление ионно-имплантационной обработки лопаток; нанесение упомянутых слоев покрытия; ионно-имплантационную обработку лопаток проводят при энергии от 20 до 30 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 имплантируемых ионов ионов: N, Cr, Ni, Со, Y, Yb, La, или их комбинации; электролитно-плазменное полирование при напряжении 260-320 В, в электролите: 4-8% водного раствора сульфата аммония при температуре 60-80°C; нанесение первого слоя покрытия из сплава на основе Ni, содержащего компоненты в следующем соотношении, мас. %: Cr - 16-26%, Со - 16-26%, Al - 9-15%, Y - 0,2-0,7%, Ni - остальное; нанесение второго слоя покрытия производят из сплава на основе Al, дополнительно содержащего Si и Со, при следующем соотношении компонентов, мас. %: Si - 7-11%, Со - 7-14%, Y - 0,2-0,7%, Al - остальное; толщина первого слоя составляет 5-7 мкм; толщина второго слоя составляет 5-7 мкм; термообработку лопатки с покрытием проводят при температуре 580-620°C в течение 3-6 ч, позволяет достичь технического результата заявляемого способа, которым является повышение стойкости покрытия к эрозии и солевой коррозии при одновременном повышении выносливости, циклической прочности.

Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 183.
20.02.2013
№216.012.27d7

Способ оценки степени упрочнения поверхностного слоя твердых материалов

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для экспресс-определения физико-механических свойств твердых материалов, в частности для оценки степени упрочнения поверхностного слоя деталей после защитно-упрочняющей обработки. Сущность: осуществляют приготовление шлифа...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475719
Дата охранного документа: 20.02.2013
20.02.2013
№216.012.28a8

Высокоскоростная магнитоэлектрическая машина с вертикальным валом

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения и может быть использовано в высокоскоростных магнитоэлектрических машинах. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в расширении функциональных возможностей высокоскоростных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475928
Дата охранного документа: 20.02.2013
27.03.2013
№216.012.3136

Ультрамелкозернистые алюминиевые сплавы для электротехнических изделий и способы их получения (варианты)

Изобретение относится к области получения алюминиевых сплавов и может быть использовано для изготовления изделий электротехнического назначения. Для повышения механической прочности и электрической проводимости в алюминиевых сплавах системы Al-Mg-Si формируют два типа ультрамелкозернистой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002478136
Дата охранного документа: 27.03.2013
27.03.2013
№216.012.3139

Способ ионно-плазменного нанесения покрытия в вакууме на поверхность гравюры штампа из жаропрочного никелевого сплава

Изобретение относится к машиностроению, в частности к области горячей объемной штамповке металлических деталей, в частности деталей сложной формы, например лопаток газотурбинных двигателей. Способ ионно-плазменного нанесения покрытия в вакууме на поверхность гравюры штампа из жаропрочного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002478139
Дата охранного документа: 27.03.2013
27.03.2013
№216.012.313a

Способ получения ионно-плазменного покрытия на лопатках компрессора из титановых сплавов

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...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002478140
Дата охранного документа: 27.03.2013
10.04.2013
№216.012.326f

Способ изготовления прирабатываемого уплотнения турбомашины

Изобретение относится к машиностроению, в частности к уплотнениям зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций. В пресс-форме размещают оболочку из меди, заданных размеров и формы, и заполняют пресс-форму порошком...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002478454
Дата охранного документа: 10.04.2013
20.04.2013
№216.012.3617

Способ восстановления торца пера лопатки турбомашины с формированием щеточного уплотнения

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в турбомашиностроении при восстановительном ремонте наплавкой или сваркой и модернизации рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей. Способ включает...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479400
Дата охранного документа: 20.04.2013
20.04.2013
№216.012.3721

Способ формирования теплозащитного покрытия на деталях газовых турбин из никелевых и кобальтовых сплавов

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам формирования теплозащитных покрытий на лопатках турбин, и в особенности газовых турбин авиадвигателей и энергетических установок. Способ формирования теплозащитного покрытия на деталях газовых турбин из никелевых или кобальтовых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479666
Дата охранного документа: 20.04.2013
20.04.2013
№216.012.3722

Способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении. Способ включает ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. Ионную очистку проводят при энергии от 8 до 10 кэВ и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479667
Дата охранного документа: 20.04.2013
20.04.2013
№216.012.3724

Способ получения теплозащитного покрытия

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения теплозащитных покрытий на рабочие лопатки газотурбинных двигателей и энергетических установок. Поверхность лопатки подвергают ионно-имплантационной обработке ионами одного из следующих элементов N, Y, Yt или их...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479669
Дата охранного документа: 20.04.2013
Показаны записи 1-10 из 275.
20.02.2013
№216.012.27d7

Способ оценки степени упрочнения поверхностного слоя твердых материалов

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для экспресс-определения физико-механических свойств твердых материалов, в частности для оценки степени упрочнения поверхностного слоя деталей после защитно-упрочняющей обработки. Сущность: осуществляют приготовление шлифа...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475719
Дата охранного документа: 20.02.2013
20.02.2013
№216.012.28a8

Высокоскоростная магнитоэлектрическая машина с вертикальным валом

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения и может быть использовано в высокоскоростных магнитоэлектрических машинах. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в расширении функциональных возможностей высокоскоростных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475928
Дата охранного документа: 20.02.2013
27.03.2013
№216.012.3136

Ультрамелкозернистые алюминиевые сплавы для электротехнических изделий и способы их получения (варианты)

Изобретение относится к области получения алюминиевых сплавов и может быть использовано для изготовления изделий электротехнического назначения. Для повышения механической прочности и электрической проводимости в алюминиевых сплавах системы Al-Mg-Si формируют два типа ультрамелкозернистой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002478136
Дата охранного документа: 27.03.2013
27.03.2013
№216.012.313a

Способ получения ионно-плазменного покрытия на лопатках компрессора из титановых сплавов

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...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002478140
Дата охранного документа: 27.03.2013
20.04.2013
№216.012.3617

Способ восстановления торца пера лопатки турбомашины с формированием щеточного уплотнения

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в турбомашиностроении при восстановительном ремонте наплавкой или сваркой и модернизации рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей. Способ включает...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479400
Дата охранного документа: 20.04.2013
20.04.2013
№216.012.3722

Способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении. Способ включает ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. Ионную очистку проводят при энергии от 8 до 10 кэВ и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479667
Дата охранного документа: 20.04.2013
20.04.2013
№216.012.3724

Способ получения теплозащитного покрытия

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения теплозащитных покрытий на рабочие лопатки газотурбинных двигателей и энергетических установок. Поверхность лопатки подвергают ионно-имплантационной обработке ионами одного из следующих элементов N, Y, Yt или их...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479669
Дата охранного документа: 20.04.2013
27.04.2013
№216.012.3ae4

Способ изготовления антифрикционного слоя вкладышей подшипников скольжения

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к созданию поверхностного слоя с особыми свойствами на металлических изделиях типа тел вращения с помощью обкатки, выглаживания, дорнования или виброобработки, и может быть использовано для изготовления и ремонта вкладышей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002480637
Дата охранного документа: 27.04.2013
20.05.2013
№216.012.40f8

Износостойкий композиционный материал с эвтектическим инфильтрантом

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к композиционным материалам для вставок буровых шарошечных долот. Композиционный материал содержит каркас из карбида титана и инфильтрант - сплав эвтектического состава с краевым углом смачивания менее 90°, содержащий кобальт 12-20%; хром...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002482202
Дата охранного документа: 20.05.2013
10.06.2013
№216.012.4751

Способ изготовления элемента прирабатываемого уплотнения турбины

Изобретение относится к машиностроению, а именно к изготовлению уплотнений зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций. Из порошка прирабатываемого материала формируют гранулы, поверхность которых оплавляют с образованием...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002483837
Дата охранного документа: 10.06.2013
+ добавить свой РИД