Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЗАЩИТЫ БЛИСКА 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 моноколеса компрессора ГТД 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, опубл. 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 С23С 14/16, 30/00, С22С 19/05, 21/04, опубл. 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 упрочняющую обработку микрошариками, полирование кромок лопаток блиска, 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 С23С 14/48, опубл. 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). Кроме того, все вышеперечисленные способы не могут использоваться для упрочнения поверхности лопаток и нанесения покрытий на блиски, поскольку не могут обеспечить однородной обработки всей рабочей поверхности блиска.

Задачей настоящего изобретения является создание такого многослойного покрытия, которое было бы способно эффективно защищать блиски ГТД 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 лопатокблиска компрессора ГТД к эрозионному разрушению при обеспечении заданной выносливости и циклической долговечности защищаемых элементов блиска за счет обеспечения равномерного нанесения покрытия и равномерной обработки поверхностного слоя рабочей поверхности блиска.

Технический результат достигается тем, что в способе защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии, включающем упрочняющую обработку микрошариками, полирование кромок лопаток блиска, ионно-плазменную модификацию материала поверхностного слоя лопаток блиска с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом, в отличие от прототипа перед ионно-плазменной модификацией поверхностного слоя проводят электролитно-плазменное полирование поверхности блиска путем приложения к нему электрического потенциала от 320 В до 360 В с использованием в качестве электролита 2-7% водного раствора смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F от 16 до 26 вес. %, KF - остальное, при этом ионно-плазменную модификацию поверхностного слоя проводят ионами азота при энергии от 0,2 кэВ до 2,5 кэВ, дозой от 1,5⋅10¹⁹ см^-2 до 2,5⋅10¹⁹ см^-2, силой тока от 0,1 мА/см² до 3 мА/см², при частоте тока от 70 до 100 кГц, а при нанесении покрытия в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом используют ванадий, причем при ионно-плазменной обработке блиска его вращают относительно его продольной оси с приданием ему колебательных движений, обеспечивающих обработку всей рабочей поверхности блиска, а ионно-плазменную обработку и нанесение покрытия производят одновременно с обеих сторон блиска, причем нанесение титана производят одновременно с двух электродуговых испарителей, расположенных по разные стороны от блиска, а нанесение ванадия с двух электродуговых испарителей, также расположенных с обеих сторон блиска, причем нанесение покрытия осуществляют одновременно со всех четырех упомянутых испарителей.

Технический результат достигается также тем, что в способе защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии возможно использование следующих вариантов: при нанесении покрытия используют соотношение 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 наносят толщиной от 1,1 мкм до 2,2 мкм при общей толщине многослойного покрытия от 5,0 мкм до 7,0 мкм; 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°С 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 отжиг, причем отжиг и нанесение покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.

Процесс электролитно-плазменного полирования деталей из титана и титановых сплавов осуществляется следующим образом. Обрабатываемый блиск из титана или титанового сплава погружают в ванну с водным раствором электролита, прикладывают к нему 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 320 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 блиска и заданной микрогеометрии поверхности, ведут при величине тока от 0,2 А/дм² до 0,5 А/дм², при температуре от 70°С до 90°С, в течение от 0,8 до 7 мин. 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 блиска в электролите по режимам его обработки 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 рабочей поверхности блиска парогазовой оболочки. В качестве ванны используют емкость, выполненную из материала, стойкого к воздействию электролита. Величина pН 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 (Тпл. TiF₄=238°C).

При обработке блисков 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 блиска 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 С23С 14/48, опубл. 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 320 В до 360 В, 300 В - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 320 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.

Ионно-плазменная обработка азотом:

энергия - 0,1 кэВ (Н.Р.); 0,2 кэВ (У.Р.); 0,7 кэВ (У.Р.); 1,4 кэВ (У.Р.); 2,1 кэВ (У.Р.); 2,5 кэВ (У.Р.); 2,7 кэВ (Н.Р.);

доза - 1,3⋅10^{19 см-2} (Н.Р.); 1,5⋅10¹⁹ см^-2 (У.Р.); 2,5⋅10¹⁹ см^-2 (У.Р.); 3⋅10¹⁹ см^-2 (Н.Р.);

сила тока - 0,07 мА/см² (Н.Р.); 0,1 мА/см² (У.Р.); 0,8 мА/см² (У.Р.); 1,6 мА/см² (У.Р.); 2,4 мА/см² (У.Р.); 3,0 мА/см² (У.Р.); 3,4 мА/см² (Н.Р.);

частота тока - (от 70 до 100 кГц), 60 кГц (Н.Р.); 70 кГц (У.Р.); 80 кГц (У.Р.); 100 кГц (У.Р.); 110 кГц (Н.Р.).

Нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляли: с четырех одновременно работающих раздельных электродуговых испарителей. Расположение испарителей - периферийное, с обеих сторон блиска, с чередованием электродугового испарителя из ванадия с испарителем из титана. Электродуговые испарители располагались в периферийной части цилиндрической рабочей камеры ионно-плазменной установки, а блиск вращался вокруг собственной продольной оси с совершением колебательных движений. Продольная ось совпадала по ориентации с осью цилиндрической рабочей камеры установки и потоком наносимого материала. Скорость вращения блиска относительно собственной оси составляла от 8 до 10 об/мин. Колебательные движения составляли по 30° по обе стороны от вертикали. 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 отжиг в одном вакуумном объеме установки за один технологический цикл.

Эрозионная стойкость поверхности образцов исследовалась по методике ЦИАМ (Технический отчет ЦИАМ №10790: Экспериментальное исследование износостойкости вакуумных ионно-плазменных покрытий в запыленном потоке воздуха, 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 8…9 раз.

Кроме того, были проведены испытания на выносливость и циклическую долговечность образцов - лопаток, вырезанных из блиска после его ионно-плазменной обработки и нанесения покрытий. Испытывались образцы из следующих 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 465-480 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу - 455-470 МПа, а по предлагаемому способу - 490-510 МПа.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии следующих приемов: ионно-плазменную модификацию материала поверхностного слоя лопаток блиска; последующее нанесение ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом; проведение перед ионно-плазменной модификацией поверхностного слоя электролитно-плазменного полирования поверхности приложением к обрабатываемой детали электрического потенциала от 320 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; ионно-плазменную модификацию поверхностного слоя ионами азота при энергии 0,2 кэВ до 2,5 кэВ, дозой от 1,5⋅10¹⁹ см^-2 до 2,5⋅10¹⁹ см^-2, силой тока от 0,1 мА/см² до 3 мА/см², при частоте тока от 70 до 100 кГц; использование в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом ванадия, в частности, при соотношении титана к ванадию, вес. %: V от 4 до 12%, остальное - Ti; вращение при ионно-плазменной обработке блиска относительно его продольной оси с приданием ему колебательных движений, обеспечивающих обработку всей рабочей поверхности блиска; проведение ионно-плазменной обработки и нанесение покрытия одновременно с обеих сторон блиска; проведение нанесения титана одновременно с двух электродуговых испарителей, расположенных по разные стороны от блиска и нанесение ванадия с двух электродуговых испарителей, также расположенных с обеих сторон блиска, осуществление нанесения покрытия одновременно со всех четырех упомянутых испарителей; 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°С до 90°С 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 отжига; проведение отжига и нанесения покрытия в одном вакуумном объеме за один технологический цикл, позволяет повысить стойкость лопаток блиска компрессора ГТД к эрозионному разрушению при обеспечении заданной выносливости и циклической долговечности защищаемых элементов блиска за счет обеспечения равномерного нанесения покрытия и равномерной обработки поверхностного слоя рабочей поверхности блиска.